Universitatea Transilvania din Braşovold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat... ·...

99
Investeşte în oameni! FO NDUL SOCIAL EURO PEAN Programul O peraţional Se ctorial Dez voltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5 „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Investiţie în dezvoltare durabilă prin burse doctorale (INED)” Numărul de identificare al contractului : POSDRU/159/1.5/S/134378 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Universitatea Transilvania din Braşov Şcoala Doctorală Interdisciplinară Centrul de cercetare: Sisteme mecatronice avansate Ing. Răzvan Gabriel DRĂGAN STUDII ŞI CERCETĂRI PRIVIND ANALIZA SISTEMELOR PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROŞU RESEARCH CONCERNING THE SYSTEMS ANALYZE BY INFRARED THERMOGRAPHY Conducător ştiinţific Prof.dr.ing. Ciprian Iustin OLTEANU Universitatea Transilvania din Braşov, România Prof.dr.ing. Florin BREABĂN Universitatea Artois, Franţa BRAȘOV, 2014

Transcript of Universitatea Transilvania din Braşovold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat... ·...

Investeşte în oameni! FO NDUL SOCIAL EURO PEAN Programul O peraţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţ ie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţ ii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5 „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Investiţ ie în dezvoltare durabilă prin burse doctorale (INED)” Numărul de identificare al contractului : POSDRU/159/1.5/S/134378 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov

Universitatea Transilvania din Braşov Şcoala Doctorală Interdisciplinară

Centrul de cercetare: Sisteme mecatronice avansate

Ing. Răzvan Gabriel DRĂGAN

STUDII ŞI CERCETĂRI PRIVIND ANALIZA SISTEMELOR PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROŞU

RESEARCH CONCERNING THE SYSTEMS ANALYZE BY INFRARED THERMOGRAPHY

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Ciprian Iustin OLTEANU Universitatea Transilvania din Braşov, România

Prof.dr.ing. Florin BREABĂN Universitatea Artois, Franţa

BRAȘOV, 2014

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢA Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov Nr. 6870 / 26.09.2014

PREŞEDINTE: Prof.dr.ing. Olimpiu MUNTEANU, Decan al Facultăţii DPM, Universitatea Transilvania din Braşov

CONDUCĂTORI ŞTIINŢIFICI: Prof.dr.ing. Ciprian Iustin OLTEANU Universitatea Transilvania din Braşov

Prof.dr. Florin BREABĂN, Université Artois, Franţa

REFERENŢI: Cercetător dr.ing. Franck BRACHELET, Université Artois, Franţa

Prof.dr.ing. Mariana ARGHIR, Univrsitatea Tehnică Cluj-Napoca, România

Prof.dr.ing. Liviu BERETEU, Universitatea Politehnica Timişoara, România

Prof.dr.ing. Pascal VENTOMME, Université de Picardie, IUT d'Amiens. Franţa

Prof.dr.ing. Eugen CICALĂ, Université de Burgogne, IUT Le Creusot, Franţa

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat:

5.12.2014, ora 10,00, sala UII3. Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected], [email protected] . Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim.

Răzvan Gabriel DRĂGAN. Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

4

CUPRINS Pg.

teza Pg. rezumat

Cuprins 3 1

Figuri şi tabele 5 -

Capitolul 1. INTRODUCERE 11 3 Capitolul 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRII PRIVIND ANALIZA

SISTEMELOR PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROȘU 19 5

2.1. Evaluarea nedistructivă a sistemelor 20 6 2.2. Evaluarea nedistructivă a sistemelor prin termografie în infraroşu 26 9 2.3. Concluzii 47 16

Capitolul 3. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT 49 17

Capitolul 4. STUDII TEORETICE PRIVIND TESTAREA PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROŞU A SISTEMELOR

51 18

4.1. Bazele teoretice ale transferului de căldură 51 18 4.2. Modelarea răspunsului termic al structurilor 63 22 4.3. Concluzii 85 -

Capitolul 5. CONTRIBUŢII EXPERIMENTALE PRIVIND ANALIZA SISTEMELOR PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROŞU

87 35

5.1. Proiectarea experimentului în vederea determinării defectelor prin termografie în infraroşu activă pe materiale bioceramice şi pe ţesuturi osoase

88 36

5.2. Proiectarea experimentului pentru analiza prin termografie în infraroșu activă a sistemelor folosite în construcţii

149 66

5.3. Concluzii 175 -

Cap. 6. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE. MOD DE VALORIFICARE. DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE

179 84

6.1. Concluzii finale 179 84 6.2. Contribuţii originale 185 88 6.3. Diseminarea rezultatelor 187 89 6.4. Direcții viitoare de cercetare 188 91

BIBLIOGRAFIE 189 92

ANEXE 197 95

Capitolu l 1. Introducere

5

SUMMARY Pg.

thesis Pg. abstract

Summary 3 1 Figures and tables 5 -

Chap. 1. INTRODUCTION 3 Chap. 2. ACTUAL STAGE IN THE RESEARCH CONCERNING

INFRARED THEROMOGRAPHY SYSTEMS’ ANALYZE 19 5

2.1. Systems’ non-distructive evaluation 20 6 2.2. Systems’ non-distructive evaluation by infrared thermography 26 9 2.3. Conclusion 47 16

Chap. 3. DOCTORAL THESIS OBJECTIVES 49 17 Chap. 4. THEORETICAL STUDIES ON THE INFRARED

THEROMOGRAPHY SYSTEMS’ ANALYZE 51 18

4.1. Heat transfert theoretical bases 51 18 4.2. Structures’ thermic answer modeling 63 22 4.3. Conclusion 85 -

Chap. 5. EXPERIMENTAL CONTRIBUTIONS TO THE INFRARED THEROMOGRAPHY SYSTEMS’ ANALYZE

87 35

5.1. Design of the experiment for the defaults detection by active infrared thermography in bioceramics and bone tissues

88 36

5.2. Design of the experiment for the defaults detection by active infrared thermography in civil engineering systems

149 66

5.3. Conclusion 175 - Chap. 6. FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS.

DISSEMINATION OF RESULTS. FURTHER RESEARCHES 179 84

6.1. Final conclusion 179 84 6.2. Original contributions 185 88 6.3. Dissemination of results 187 89 6.4. Further researches 188 91

REFERENCES 189 92 ANNEXES 197 95

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

6

CAPITOLUL 1 INTRODUCERE

Termografia în infraroşu permite măsurarea temperaturilor corpurilor de la distanţă fără contact, ceea ce este indispensabil în cazul echipamentelor ce nu pot fi oprite din procesul de funcționare, echipamente ce nu permit contactul direct, cum ar fi: echipamente electrice aflate sub tensiune sau în cel al pieselor sau materialelor la temperatură ridicată sau inaccesibile.

Aplicabilitatea acestei metode este foarte vastă, aceasta putând fi aplicată cu succes în diverse domenii cum ar fi: domeniul energetic, construcții, electronic, electromecanic, instalații industriale, medicină, etc.

În domeniul construcțiilor termografia în infraroșu se bucură de o utilizare în diverse aplicații de la determinarea eficienței energetice a clădirilor, până la studiul amănunțit al materialelor și sistemelor utilizate în construcții.

Un alt domeniu important îl reprezintă medicina, unde termografia oferă rezultate importante de mare interes cu privire la depistarea timpurie a bolilor grave sau mai puțin grave şi permite o evaluare a stării pacienţilor în perioadele pre- şi post-operatorii.

În spiritul depistării defectelor materialelor cu destinaţii multiple, a fost dezvoltată cercetarea din prezenta teză. Demersul adoptat urmează un lung proces jalonat de mai multe etape: bazele teoretice ale termografiei, echipamente folosite în defectoscopia materialelor curent utilizate în domeniul construcţiilor şi a materialelor cu destinaţii neconvenţionale, metode de analiză a răspunsului sistemelor la diversele tipuri de generare a energiei termice a cărei variaţie în interiorul lor conduce la semnale concludente pentru calitatea lor intrinsecă. Mai mult, cercetarea a fost îndreptată spre materiale compozite cu caracteristici particulare, determinate de domeniul lor de utilizare cum sunt, de exemplu biomaterialele. O parte importantă a analizei a constat în conceperea de metode şi sisteme de generare a energiei termice cu gradienţi foarte fini, testarea şi validarea funcţionării lui în concordanţă cu valorile experimentale determinate şi cu cele existente în literatura de specialitate.

Pornind de la aceste consideraţii, teza de doctorat intitulată Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu îşi propune să realizeze cercetări teoretice şi experimentale în domeniul defectoscopiei nedistructive aplicate pe sisteme convenţionale de construcţii dar şi pe biosisteme utilizate la realizarea de implanturi de protecţie: membranele protectoare din polilactide sau la realizarea de proteze resorbabile de discuri intervertebrale.

Teza de doctorat este structurată pe şase capitole, după cum urmează: Capitolul 1 prezintă o trecere în revistă a unui scurt istoric al termografiei în infraroșu și o

scurtă descriere a acestei metode și diverse domenii de utilizare. Capitolul 2 intitulat „Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie

în infraroșu” este structurat pe trei subcapitole, acestea își propun o sintetizare a noțiunilor de bază a controlului nedistructiv și a metodelor folosite în acest sens și noțiuni de analiză prin termografie în infraroșu.

Capitolu l 1. Introducere

7

Capitolul 3 este intitulat „Obiectivele tezei de doctorat”și are rolul de a evidenția obiectivele pe baza cărora a fost realizată această teză de doctorat.

Capitolul 4 este denumit „Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroșu a sistemelor” și descrie bazele teoretice ale transferului de căldură, modelarea răspunsului termic al structurilor care fac obiectul acestei cercetari și concluziile capitolului.

Capitolul 5 intitulat „Contribuții experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroșu” a avut drept obiectiv de bază un studiu experimental al analizei sistemelor prin termografie în infraroșu activă.

Capitolul 6 este intitulat „Concluzii generale. Contribuții personale. Modul de valorificare și direcții viitoare de cercetare”. Acesta prezintă concluziile generale ale rezultatelor obținute, elementele ce dau originalitate tezei de doctorat și contribuțiile autorului în cadrul elaborării acestei teze de doctorat, precum și valorificarea rezultatelor și direcții viitoare de cercetare.

Bibliografia de la sfârșitul acestei lucrări este formată dintr-un număr important de lucrări care au avut un rol esențial în realizarea lucrării. Această teză a necesitat un studiu bibliografic bazat un spectru larg de cunoștințe în domeniu.

Cercetările științifice din această teză de doctorat efectuate pe parcursul a trei ani de cercetare au fost materializate prin publicarea a 10 lucrări științifice.

O parte importantă din cercetări au fost efectuate în cadrul laboratoarelor Universității Transilvania din Brașov, facultatea de Design de produs și mediu, departamentul de Design de produs, mecatronică și mediu. În ceea ce privește o parte consistentă din încercările experimentale vreau să amintesc importanța majoră a stagiului efectuat în Franța în cadrul Universității Artois Bethune, departamentul LGCgE.

Doresc să mulțumesc conducătorilor de doctorat, Prof.dr.ing. Ciprian Iustin OLTEANU din cadrul Universitatății Transilvania din Brașov și domnul Prof.dr.ing. Florin BREABĂN de la Universitatea Artois din Bethune, Franța. Totodată o importantă contribuție în dezvoltarea cercetărilor au avut-o Prof.dr.ing. Ileana – Constanța ROȘCA, Prof.dr.fiz. Sorin Zamfira, Cercetător științific Dr. ing. Frank Brachelet și Dr.ing. Samang Keo, cărora doresc să le mulțumesc, de asemenea.Pentru realizarea eșantioanelor de probă din materiale bioceramice vreau să mulțumesc doamnei Conf. dr. ing. Francine MONCHAU din cadrul Universității Artois din Bethune Franța, laboratorul de biomateriale. De asemenea mulțumesc domnului Prof. dr. ing. Mircea ȚIEREAN și doamnei Prof. dr. ing. Liana Balteș din cadrul Facultatii de Știinta și ingineria materialelor pentru sprijinul acordat în ceea ce privește echipamentul termografic necesar în realizarea experimentelor.Mulțumesc conducerii departamentului prin doamna Prof.dr.ing. Codruta JALIU și doamnei Prof.dr.ing. Luciana CRISTEA precum și conducerii Universității Transilvania din Brașov prin domnul rector Prof.dr.ing. Vasile ABRUDAN, conducerii Școlii doctorate prin domnul Prof.dr.ing. Gheorghe SCUTARU, pentru sprijinul acordat și șansa realizării stagiului de 6 luni în cadrul Universității Artois Bethune din Franța, atât de util pentru cercetările acestei teze de doctorat.

Nu în ultimul rând, doresc să mulţumesc în mod deosebit familiei mele pentru înțelegere și sprijinul moral şi financiar acordat în special pe durata activităţii mele doctorale.

Răzvan Gabriel DRĂGAN. Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

8

CAPITOLUL 2.

STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRII PRIVIND ANALIZA SISTEMELOR PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROŞU

În acest capitol sunt abordate diferite modalităţi de control nedistructiv al sistemelor, urmărindu-se un studiu pe baza literaturii de specialitate a fenomenelor ce guvernează aceste metode nedistructive, avantaje, dezavantaje, domenii de utilizare etc. Metodele nedistructive au fost selecţionate având la bază un studiu preliminar a aplicabilităţii acestora pe materialele studiate în aceasta lucrare. Alţi factori care au stat la baza acestui studiu au fost cei economici, siguranţa operatorului, să nu afecteze structura materialelor în urma determinărilor, precizia, viteza determinărilor şi tratarea datelor experimentale.

Sistemele alese în această lucrare au fost: betonul, materialele bioceramice, cordoane de sudură, aplicarea membranelor polilactice pe sisteme osoase împreună cu sisteme compuse, cum ar fi: betonul armat, diferite tipuri de izolaţii pentru beton, materialele bioceramice de diferite tipuri şi caracteristici, toate având ca scop comun determinarea diferitor anomalii din structura acestora. În urma stabilirii materialelor ce s-a dorit a fi examinate a fost efectuată o cercetare amănunţită pe baza literaturi de specialitate în căutarea unei metode ce sa fie aplicabilă pe acest tip de materiale.

În consecinţă s-a optat pentru utilizarea termografiei în infraroşu ca metodă de inspecţie ce să conducă la determinarea anomaliilor prezente în structura materialelor mai sus menţionate. După stabilirea utilizării termografiei în infraroşu a fost demarat un studiu al acestei metode nedistructive privind tipurile de termografie ce pot fi aplicate pentru îndeplinirea cerinţelor şi totodată fenomenele fizice ce le guvernează, modalitatea de aplicare a acestora în scopul propus, realizarea instalaţiilor experimentale, etc.

Betonul reprezintă unul dintre cele mai uzitate materiale folosite în construcţii, având un comportament bun în timp și o rezistenţă considerabilă la foc în comparaţie cu celelalte materiale utilizate în construcții. După cum este bine cunoscut betonul are o foarte bună comportare la solicitările de compresiune însă nu și la solicitări de tracţiune sau încovoiere. De aceea pentru rezolvarea acestei probleme este necesară armarea acestuia cu bare de oţel de diferite diametre, stabilite în funcţie de valoarea solicitărilor la care este supus elementul de construcţie.

O altă aplicaţie a termografiei în infraroşu a constat în studiul biomaterialelor şi anume, materialele bioceramice. Implantarea unor materiale artificiale în organismul uman prezintă un mare interes, având în vedere nu doar comportamentul materialului din punct de vedere mecanic şi funcţional, dar şi integrarea acestuia în organism şi comportamentul viitor într-o bună sinergie cu structura osoasă. Având în vedere importanţa acestui tip de material, determinarea unei metode de analiză ce să nu modifice structura materialului a trebuit tratată cu multă atenţie, în final termografia în infraroşu dovedindu-se aplicabilă în acest sens.

Capitolu l 2. Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

9

2.1. EVALUAREA NEDISTRUCTIVĂ A SISTEMELOR Evaluarea nedistructivă (E.N.) presupune o examinare a unui sistem sau a unui element

aplicând tehnologii ce asigură o bună funcţionare a obiectului în urma evaluării. Putem spune ca E.N. a materialelor oferă posibilitatea detectării primelor semnale ale unui

defect permiţând astfel intervenţia asupra sistemului înainte de deteriorarea sau defectarea acestuia. Ca şi aplicabilitate a E.N., putem vorbi de o mulţime de domenii dintre care amintim unele dintre cele mai des întâlnite, cum ar fi: controlul calităţii, mentenanţă, domeniul medical, cercetare etc. Odată apelat la metode de E.N. în vederea îmbunătăţirii calităţii produselor sau a evaluării integrităţii acestora, se va ține cont de o serie de criterii în vederea alegerii metodei ideale, luând în considerare factorul economic, probabilitatea detectării defectului, proprietăţile materialului, etc. [Shull2001].

2.1.1. Evaluarea nedistructivă a sistemelor prin ultrasunete Evaluarea nedistructivă prin ultrasunete [Shull2001] este una dintre cele mai des utilizate

metode de E.N. Undele ultrasonice sunt sunete produse la frecvențe foarte mari fiind necesare în jur de 20.000 de vibraţii pe secundă sau 20.000 de Hertz (Hz). În procesul acestora de propagare în interiorul materialelor pot interacţiona cu solidele în forme diferite ce pot fi determinate matematic. În aplicaţiile EN intervalul utilizat începe de la 50 kHz până la valori de ordinul GHz-lor. În general când vorbim despre sunete acestea sunt percepute ca fiind unde ce se propagă prin aer însă, acestea au capacitatea de a propaga şi în fluide şi solide. Mai mult de atât, undele se propagă cu o viteză mai mare în fluide şi solide decât prin aer. Dacă facem o analogie cu spectrul electromagnetic vizibil, adică lumina, fenomenul propagării undelor sonice este invers.

În figura 2.1 putem vizualiza comportamentul undei ultrasonice ce se propagă într-un solid şi întâlneşte un defect circular. Defectul din material determină împrăştierea undelor ultrasonice similar cu o piatră ce formează unde în urma impactului cu apa. Aceasta împrăştiere a undelor se

a. b.

Fig. 2.1. Reflexia ultrasonică a unui defect circular. [Shull2001]

Fig. 2.3. Metode de detectare a defectului prin ultrasunete: determinarea prin metoda transmisiei cu două traductoare (a); metoda „pulse-echo” unde este necesar un

singur traductor (b). [Shull2001]

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

10

poate detecta ca un ecou, analizând proprietăţile ecoului se pot determina poziţia, forma şi mărimea defectului.

Pentru testarea defectelor în materialele metalice s-a dezvoltat iniţial o metodă cu ultrasunete ce utiliza două traductoare, aceasta fiind denumită metodă prin transmisie (fig. 2.3, a). După realizarea acestei metode a fost dezvoltată o altă metodă unde a fost introdus conceptul de impulsuri ultrasonice, unde un singur traductor avea dublu rol, de transmiţător şi de receptor (metoda „pulse-echo”) (Fig. 2.3. b).

2.1.2. Metoda de control Impact-echo Metoda IMPACT- ECHO [Paul2005- Car2001, Chia2008] reprezintă o metodă de control

nedistructivă utilizată în controlul betonului şi al zidăriei bazându-se pe propagarea unei unde de şoc prin structura materialului studiat. Principiul de bază al acestei metode este acela de utilizare a unei sfere care, în urma impactului cu materialul studiat, creează o undă de şoc ce ulterior este transformată într-un semnal electric. Transformarea undei care este de provenienţă mecanică în semnal electric se realizează printr-un traductor, semnalul fiind transmis mai departe la un sistem de achiziţie ce permite vizualizarea formei undei de şoc funcţie de timp şi de frecvenţă ce conduc la detectarea zonei cu defect. Determinarea adâncimii L la care este localizat defectul în eşantionul de beton rezultă din relaţia (2.1) [Chia2008]:

FnvL⋅

= β , (2.1)

unde: F este frecvenţa de rezonanţă, v este viteza undei de comprimare; β - este egal cu 2 dacă materialul din beton este de o impedanţă mecanică scăzută (aer), iar în caz contrar este egal cu 4 (armătură metalică), iar n este factor de formă în cazul măsurării grosimii unei plăci de beton.

Fig. 2.4. Principiul teoretic de funcţionare al metodei „Impact Echo”. [T. DU]

Capitolu l 2. Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

11

2.1.3. Metoda de testare prin radiografiere Razele X au fost descoperite în urmă cu

peste 100 de ani, în anul 1895, de către William Röentgen. După descoperirea razelor X acesta a continuat să experimenteze şi pe alte materiale pentru a detecta diferite defecte în structura acestora.

EN a materialelor şi sistemelor prin radiografiere [Shull2001, Paul2005] poate fi definită ca fiind o tehnică ce utilizează o radiaţie penetrantă având o lungime de undă mică (raze X, γ sau neutroni), cu scopul detectării defectelor, a variaţiilor, fisurilor, etc. Procesul de determinare a defectelor din structura unui material presupune utilizarea unei surse de radiaţie ce transmite radiaţiile către material, acestea pătrund în structura acestuia și diferenţele de absorbţie a radiaţilor se înregistrează pe un film fotografic dispus pe partea opusa a materialului vizat.

2.1.4 Evaluarea nedistructivă prin curenţi turbionari Metoda de faţă presupune utilizarea

unui câmp magnetic alternativ [Paul2005, Xiao2014] şi poate fi utilizată la orice material cu rol de conductor electric. Câmpul magnetic alternativ asigură o circulare a curenţilor turbionari în eşantionul vizat iar cu ajutorul acestora pot fi determinaţi parametrii ce influenţează conductivitatea. O fisură sau un defect în interiorul materialului influenţează conductivitatea electrică în acea zonă şi totodată reduce câmpul magnetic secundar și crește impedanţa bobinei. Adâncimea de penetrare dp a curenţilor turbionari poate fi

calculată cu relaţia (2.2):

µσπ fdp 1

= (2.2)

unde: f este frecvenţa, σ este conductibilitatea materialului şi µ, permeabilitatea.

Fig. 2.5. Principiul metodei de evaluare

nedistructivă prin radiografiere.

Fig. 2.6. Principiul metodei curenţilor turbionari

(curenţi Foucault).

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

12

2.2. EVALUAREA NEDISTRUCTIVĂ A SISTEMELOR PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROȘU

2.2.1. Noţiuni generale Termografia în infraroşu (TIR) este o metodă nedistructivă ce permite testarea şi

inspectarea în scopul examinării unui material sau sistem fără a afecta funcţionarea ulterioara. Comparativ cu metodele clasice de control nedistructiv enumerate mai sus, achiziţia de date prin termografie în infraroşu este sigură, neinvazivă şi noncontact, permiţând analiza unor suprafeţe mari şi detectarea defectelor interne aflate la o adâncime de ordinul milimetrilor. Un alt aspect ce avantajează această metodă este viteza de inspecţie [Clem].

Termografia poate fi utilizată în scopul detectării defectelor având la bază ca fenomen fizic transferul de căldura. Practic pentru a putea vizualiza un defect utilizând această metodă este necesar ca materialul sau sistemul să fie supus unei excitări termice sau mecanice, defectul fiind vizibil sub forma unor modificări a distribuției de temperatură de pe suprafața vizată. Radiaţia termică înregistrată de sistemul termografic depinde mult de un parametru important şi anume, emisivitatea materialului - capacitatea unui material sau sistem de a emite, a absorbi sau a reflecta energie termică. Termografia în infraroşu este de două tipuri: activă şi pasivă.

2.2.2. Spectrul electromagnetic Orice obiect ce depăşeşte temperatura de zero absolut (-273,15oC) are capacitatea de a

emite radiaţie în infraroşu. Radiaţia în infraroşu corespunde intervalului de lungime de undă cuprins între 0,74 și 1000 µm [Xav2001, Mald2001, Bal2002]. O suprafaţă emite energie de o anumită temperatură, denumită radiaţie spectrală şi definită de legea lui Plank. Energia eliberată sub formă de radiaţie este condiţionată de lungimea de undă [Mald2001]:

λchE ⋅

= , (2.3)

unde: h = 6,626176·10-34 J·s este constanta lui Plank, c = 299792458 m/s este viteza luminii, λ [m], lungimea de undă şi E [J] este energia eliberată.

Fig. 2.7. Spectrul electromagnetic şi domeniul de măsurare în infraroşu. [Mald2001]

Domeniul de radiaţie în infraroşu din spectrul electromagnetic este împărţit şi el în: infraroşu apropiat (0,7 ÷ 2 µm), infraroşu mediu (3 ÷ 5 µm) şi infraroşu îndepărtat (8 ÷ 14 µm).

Capitolu l 2. Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

13

2.2.3. Emisivitatea, corpul negru, gri şi non-gri Emisivitatea reprezintă o proprietate a unui material de a emite, absorbi sau a reflecta

energia. Ea este reprezentată de un coeficient care poate varia între valorile 0 și 1, depinzând totodată de unghiul de observaţie prezentat în figura următoare (fig. 2.7).

În figura 2.8 se poate observa că valoarea coeficientului de emisivitate se modifică odată cu schimbarea unghiului de observaţie, la unghiul φ = 0, emisivitatea ε = 1. Energia termică emisă de un corp este demonstrată prin legea lui Stephan- Boltzman:

4TW ⋅⋅= εσ , (2.5)

unde: W este fluxul radiant pe unitatea de suprafaţă [W/m2], σ = 5,6373·10-12 Wcm-2K-4 este constanta Stephan-Boltzmann, Ε este emisivitatea suprafeţei materialului şi T este temperatura suprafeţei, exprimată în grade Kelvin.

Caracteristicile energiei emise de cele trei tipuri de material din punct de vedere al emisivităţii, corpul negru, corpul gri și corpul non-gri sunt ilustrate în figura 2.9. Fluxul radiant (W) emis de suprafaţă reprezintă aria de sub fiecare curbă.

Fig. 2.9. Raportarea radiaţiei emise la caracteristicile suprafeţei materialului. [Amm1999]

Din punct de vedere al emisivităţii proprii, corpurile se pot distinge în: 1. Corpul negru este corpul cu emisivitatea egală tot timpul cu unitatea, indiferent de

lungimea de undă. El nu emite şi nu transmite energie, având reflectivitatea (ρ) şi transmitivitatea (t) egale cu zero.

2. Corpul gri are o emisivitate sub valoarea maximă a acesteia, cuprinsă în 0 ÷ 1, aceeaşi la orice lungime de undă. Acest tip de corp nu transmite energie, transmitivitatea (t) fiind egală cu zero. Componentele importante constau în emisivitate și reflexie.

3. Corpul non-gri are, în comparaţie cu celelalte două tipuri de corpuri, emisivitatea variabilă în funcţie de lungimea de undă - se spune că ar putea fi transparent la energia în infraroşu şi transmite energie de la surse din spatele acestuia. Toate cele trei componente, emisivitate, transmitvitate şi reflexie fiind la fel de importante în cazul acestui tip de corp.

Fig. 2.8. Emisivitatea ε a unui

material în funcţie de unghiul de observare φ, după [Mald2001].

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

14

2.2.4. Principiul de măsurare a temperaturii prin TIR şi mediul de transmisie al radiaţiei

Unul dintre cele mai importante instrumente ale TIR îl reprezintă camera termografică care face posibilă captarea radiaţiei termice şi vizualizarea câmpurilor termice ale suprafeţelor vizate sub forme de harţi termice sau termograme. Camera termografică are în componenţa sa un detector cu capacitatea de a înregistra radiaţia termică între domeniile 3-5 µm şi 8-12 µm.

Fig. 2.10. Prezentarea schematică a testării prin termografie în infraroşu.

Condiţiile ideale în cazul măsurării radiaţiei termice ar fi ca toată radiaţia emisa de corp să fie captată şi înregistrată de cameră fără a se lua în considerare eventuali factori perturbatori cum ar fi: atmosfera, emisivitatea materialului, gaze etc. [Amm1999]

2.2.5. Principiul de funcționare al unei camere termografice și detectori IR utilizaţi în imagistica termografică

Camerele termografice convertesc radiaţia infraroşie invizibilă în imagini vizibile. Elementele principale ce compun o cameră termografică sunt: lentilele, un detector sub formă de matrice plan focal (FPA-focal plan array), sistem de răcire al detectorului, electronică și software necesare procesării şi vizualizării imaginilor. În cazul unor aplicaţii mai speciale se utilizează detectoare ce operează pe baza efectului fotoelectric intrinsec. Pentru acest tip de detectoare se folosesc materiale ce au capacitatea de a absorbi fotoni şi de a ridica electronii materialului la o stare energetică ridicată, provocând astfel schimbări de conductivitate, voltaj, sau curent.

Fig. 2.12. Schema bloc a unei camere termografice.

Capitolu l 2. Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

15

2.2.6. Termografia în infraroşu ACTIVĂ şi PASIVĂ Termografia prezintă două mari

ramuri: pasivă şi activă (fig. 2.13) Termografia în infraroşu pasivă se

ocupă cu studiul sistemelor din punct de vedere al radiaţiei termice, fără a se interveni cu factori externi de excitare termică, temperatura sistemelor fiind influenţată doar de factori naturali. Practic presupune realizarea unui studiu al gradientului de temperatură al sistemelor într-un mediu natural (fig. 2.13).

Termografia în infraroşu activă utilizează diferite tipuri de surse exterioare de excitare termică sau mecanică cu scopul

detectării defectelor, fisurilor şi imperfecţiunilor din structura sistemului vizat. Sursele de excitare pot fi folosite pentru a se crea un contrast termic între zonele cu defect și zonele fără defect. Excitarea poate să fie: externă, dacă energia este transmisă către suprafaţă şi apoi aceasta se propagă prin material până la întâlnirea unui defect; sau internă, dacă energia este injectată în material cu scopul de a stimula numai defectul. De obicei excitarea externă se realizează prin utilizarea unor surse optice: lămpi fotografice sau lămpi cu halogen. Excitarea internă se bazează pe utilizarea undelor ultrasonice, inducând oscilaţii mecanice în material cu scopul detectării defectelor interne.

Termografia Lock-in (TL) se bazează pe o excitare termică periodică cu o intensitate modulată a specimenului, injectând unde în masa acestuia. Răspunsul termic este înregistrat în acelaşi timp

utilizând camere termografice şi descompus de un amplificator Lock- in pentru a extrage amplitudinea şi faza modulaţiei.

De obicei sunt folosite undele sinusoidale, transmise sub formă de radiaţie prin aer pană la întâlnirea cu materialul după care, acestea pătrund în masa acestuia. În cazul întâlnirii unui defect, apar modificări în amplitudinea şi în faza semnalului de răspuns al suprafeţei. Fenomenul pe care se bazează această pătrundere a energiei prin masa materialului se numeşte difuzie termică şi poate fi descrisă cu ajutorul legii lui Fourier 3D [Clem] (2.6):

012 =∂∂

⋅−∇tTT

α, (2.6)

Fig. 2.13. Metodele folosite în evaluarea prin

termografie în infraroşu. [Clem]

Fig. 2.14. Principiul evaluării prin termografie în infraroşu pasivă.

[Xav2001]

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

16

unde: pc

α = [m2/s] reprezintă difuzia termică a materialului inspectat, ρ [kg/m3] este

densitatea materialului şi λ [W/mK] este conductivitatea termică. În figura 2.16 este reprezentat schematic un experiment utilizând TL. Se pot observa două

lămpi cu halogen utilizate pentru excitarea termică a eşantionului care transmit asupra acestuia unde periodice sinusoidale, având o frecvenţă modulată ω stabilită de operator în funcţie de scopul experimentului. De obicei sunt utilizate mai multe lămpi cu halogen pentru a permite încălzirea uniformă a suprafeţei, ideală fiind atingerea unei stări de echilibru în funcţie de proprietăţile termice ale materialului şi de adâncimea la care se află defectul.

Fig. 2.16. Principiul de funcţionare şi instalaţia

experimentală folosită în TL. Fig. 2.17. Instalaţia experimentală utilizată în laboratorulde inginerie civilă şi mediu (LGCgE), Universitatea Artois, Franţa.

Metoda folosită pentru stimularea sinusoidală este metoda în patru puncte ilustrată în imaginea din figura 2.18 de mai jos.

Deasupra (linie albastră) este prezentat semnalul de intrare, notat cu „I”, sub acesta se află semnalul de răspuns notat cu „S”. Cele două semnale sinusoidale se poate observa că au aceeaşi formă, diferenţa dintre cele două făcând-o schimbarea de fază şi amplitudine ce pot fi calculate folosind relaţiile următoare (2.9) şi (2.10):

( ) ( )242

231 SSSSA −+−= , (2.9)

−−

=42

31

SSSSarctgφ . (2.10)

Tehnica de calcul a decalajului de fază (TDF) poate fi utilizată în cazul oricărui tip de semnal, ceea ce o face foarte utilă în procesarea şi interpretarea datelor tuturor ramurilor termografiei în infraroşu active, având un avantaj major, acela de a reduce zgomotul semnalelor. Un dezavantaj al acestei metode constă în faptul că este o metodă înceată. Pentru rezolvarea

Capitolu l 2. Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

17

acestei probleme s-a introdus un algoritm de calcul pe baza transformatei rapide a lui Fourier (FFT – fast Fourier transform) ce a fost implementat şi în softurile de specialitate.

Aria de aplicaţii pe care o ocupă TL este importantă, ea putând fi utilizată la: determinarea grosimii straturilor de acoperire a diferitelor materiale, detectarea delaminărilor în cazul materialelor stratificate, detectarea coroziunii, în inspecţia lucrărilor de artă, piese de patrimoniu, etc.

Termografia prin impulsuri (TI) presupune încălzirea suprafeţei materialului prin impulsuri termice, utilizând surse de putere ca lămpi flash fotografice. În urma contactului dintre suprafaţa materialului şi impulsul termic, căldura pătrunde de la suprafaţă înspre interiorul materialului. Variația de temperatură a materialul fără defect va fi uniformă şi, dacă este prezent un defect intern, acesta va fi vizibil ca

o neuniformitate termică de suprafață [Clem, Mald1998]. Instalaţia experimentală utilizată în TI (fig. 2.19) cuprinde două lămpi flash ce încălzesc

suprafaţa materialului, temperatura fiind vizualizată cu ajutorul camerei termografice. Pentru controlul timpului dintre lansarea impulsului termic şi înregistrării cu camera termografică este nevoie de o unitate de sincronizare.

Fig. 2.19. Instalaţia experimentală şi principiul termografiei prin impulsuri (TI).

Datele sunt înregistrate sub forma unor matrice 3D în care x şi y reprezintă coordonatele spaţiale iar t timpul. Analizând descreşterea sau creşterea temperaturilor în funcţie de timp ne poate conduce la apariţia zonelor suspecte ce pot descrie prezenţa unor defecte interne. Excitarea termică prin impulsuri poate fi realizată utilizând lămpi flash, laserul, stimulare termică prin jeturi de apa sau aer; durata unui impuls poate varia de la µs, ms până la s, în funcţie de grosimea şi proprietăţile termice ale materialului. În urma unei excitări termice cu impulsuri, căldura difuzează prin suprafaţa materialului înspre interiorul acestuia.

Fig. 2.18. Metoda de calcul a decalajului

de fază şi amplitudinea semnalului sinusoidal utilizată în TL. [Clem]

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

18

a) b)

Fig. 2.20. Evoluţia temperaturii: (a) Matricea de date 3D; (b) Profilul temperaturii pentru pixelii ce conţin defectul (roşu punctat) şi pentru cei fără defect (albastru continuu). [Clem]

Pentru aplicarea TI sunt valabile două metode: metoda transmisiei, unde sursa de excitare termică se află în spatele materialului şi camera termografică în faţa acestuia şi metoda reflexiei unde camera termografică şi sursa de excitare termică prin impulsuri se află pe aceeaşi parte a eşantionului sub unghiuri diferite.

Chiar dacă TI este o metodă uşor de implementat procesarea datelor este una destul de dificilă, de aceea în timp au fost dezvoltate o serie de tehnici de procesare a datelor. Una din cele mai utilizate tehnici de analiză a rezultatelor este bazată pe contrastul termic al imaginilor înregistrate de camera termografică pe toata durata excitării termice sau la valori de minim și maxim. Contrastul termic se realizează prin analiza a doua zone de interes, una sănătoasă (fără defect) şi una în care se află presupusul defect. În relaţiile următoare sunt prezentate două tipuri de contrast termic folosit în TI, contrastul standard ( ( )tCs ) şi contrastul absolut ( ( )tCa ).

( ) ( ) ( )( ) ( )0

0

tTtTtTtT

tCss

sds

−−

= , ( ) ( ) ( ) ( )tTtTtTtC sda −== ∆ , (2.11, 2.12)

unde: ( )tTd este temperatura zonei cu defect la momentul t, ( )tTs este temperatura zonei sănătoase (fără defect) la momentul t, ( )tT este temperatura la momentul t şi t0 este debutul excitării termice a materialului. Dacă (t)T∆ =0 atunci nu se poate detecta nici un defect.

2.2.7. Termografia în infraroşu în CONSTRUCȚII Termografia în infraroşu este o tehnică relativ recentă utilizată în construcţii. Inspectarea

elementelor de construcţii, clădirilor prin termografie în infraroşu pasivă presupune vizualizarea variaţiilor de temperatură de pe suprafaţa sistemelor şi determinarea eventualelor anomalii în condiţii naturale. Printre cele mai dese anomalii sunt: delaminări, fisuri, infiltraţii de apă, prezenţa unor punţi termice, etc. Perioada cea mai propice de examinare a structurilor prin termorafie în infraroșu pasivă în construcții este cea de iarnă, în jurul temperaturii de 0oC datorită diferențelor dintre temperatura din interior și cea din exterior, la care se adaugă emisivitatea materialelor, care variază între 0,90 și 0,96. O utilitate majoră a inspecţiei construcţiilor prin TIR pasivă este aceea de întocmire a auditurilor energetice.

Capitolu l 2. Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

19

Termografia în infraroşu activă în construcţii îşi are locul în studiul materialelor şi sistemelor de construcţii utilizând surse de căldură suplimentare pentru excitare termică şi camere termografice pentru observaţia variaţiilor de temperatură, scopul fiind acela de depistare şi localizare a defectelor. Termografia activă este o tehnică ce necesită o stimulare termică a materialelor și sistemelor analizate. Acest lucru este posibil prin utilizarea unor echipamente speciale bazate pe contactul direct al eșantioanelor cu un lichid cald, stimularea termică printr-un gaz cald, emisia de radiație termică a diferitelor tipuri de lămpi [Mald2001].

2.3. CONCLUZII În acest capitol s-a realizat o cercetare a evaluării nedistructive a sistemelor din punct de

vedere al clasificării acestora, al performanţei, al fenomenelor fizice ce stau la bază, modul de utilizare şi aparatura necesară.

Evaluarea nedistructivă a sistemelor prin ultrasunete a fost prima metodă abordată în care au fost prezentate date despre ce înseamnă evaluarea prin ultrasunete, frecvenţe utilizate pentru aplicarea acesteia, aparatura necesară şi tipuri de evaluare prin ultrasunete (metoda transmisiei şi metoda pulse-echo).

A doua metodă prezentată a fost metoda Impacht-Echo, aplicabilă doar în construcţii, în inspecţia betonului şi a zidăriei. O altă metodă studiată în acest capitol a fost metoda de evaluare nedistructivă prin radiografiere. În evaluarea nedistructivă prin curenţi turbionari Foucalt se utilizează un câmp magnetic alternativ şi poate fi utilizată la orice material conductor electric.

Acest studiu a fost realizat pentru a evalua posibilitatea aplicării acestor metode pe două tipuri de materiale, betonul şi materialele bioceramice. În urma acestuia s-a constatat că aplicarea unei singure metode ce să cuprindă ambele materiale este imposibilă sau nu este o metodă sigură pentru integritatea structurii materialelor. De aceea s-a optat în final la utilizarea unei alte metode de evaluarea nedistructivă şi anume, termografia în infraroşu. Termografia în infraroşu este o metodă nedistructivă ce permite testarea şi inspectarea în scopul examinării unui material sau sistem fără a afecta funcţionarea sau utilitatea acestuia în ulteroară. Comparativ cu celelalte metode clasice de control nedistructiv, amintite la punctele anterioare, achiziţia de date prin termografie în infraroşu este sigură, neinvazivă şi noncontact, permiţând analiza unor suprafeţe mari şi detectarea defectelor interne aflate la o adâncime de ordinul milimetrilor. În continuare au fost precizate aspecte teoretice, fenomene ce stau la baza acestei metode, instalaţii experimentale utilizate, clasificarea în funcţie de modul de excitare termică a materialelor, aparatura folosită, etc. În finalul capitolului au fost prezentate surse de excitare termică a materialelor în cazul termografiei active. Au fost enumerate și analizate excitarea termică cu lămpi fotografice cu halogen, excitarea utilizând laserul cu CO2 și utilizarea unui generator cu microunde.

Fig. 2.21. Principiul termografiei în

infraroşu active.

Răzvan Gabriel DRĂGAN. Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

20

CAPITOLUL 3

OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT Demararea cercetării s-a bazat pe importanţa pe care o prezintă studiul materialelor

utilizând metode nedistructive, în vederea îmbunătăţirii structurilor materialelor, găsirea de noi materiale, detectarea defectelor interne, etc. Această teză şi-a propus un studiu amănunţit al metodelor nedistructive (NDT) utilizate în prezent, bazat pe referinţe de specialitate şi găsirea metodei optime ce să poată fi aplicată pe materiale din domenii diferite (domeniul biomedical și construcții). Pe baza acestor criterii metoda care s-a dovedit aplicabilă în acest scop a fost termografia în infraroşu.

În urma determinării metodei optime au fost determinate o serie de obiective după cum urmează: ­ Detectarea defectelor interne materialelor bioceramice prin termografie în infraroşu activă utilizând excitatori termici de natură diferita (laser CO2, electrice şi lămpi fotografice). ­ Analiza cordoanelor de sudură prin termografie în infraroşu folosind principiul inducţiei electromagnetice şi excitarea materialelor prin curenţi turbionari. ­ Studiul transferului termic în betoane prin termografie în infraroşu/matrici de senzori. ­ Detectarea armăturii din beton prin termografie în infraroşu activă cu excitare prin microunde. ­ Determinarea diferitelor defecte din alte structuri de construcţii civile.

În vederea rezolvării celor enunţate mai sus, a rezultat o listă de obiective generale: • Să se realizeze un studiu complex cu privire la stadiul actual al cercetării în domeniul

analizei sistemelor prin diferite metode nedistructive şi prin termografie în infraroşu. • Să se contureze un studiu teoretic al fenomenelor de transfer termic ce guvernează studiul

sistemelor prin termografie în infraroşu. • Să se realizeze o modelare analitică a sistemelor analizate utilizând softuri de specialitate

bazată pe modele matematice ale transferului de căldură; • Să se realizeze eşantioanele de probă pentru fiecare analiză experimentală în parte, şi

asigurarea existenţei unor defecte controlate în interiorul acestora. • Să se proiecteze o instalaţie experimentală pentru fiecare analiză de sistem în parte care

să îndeplinească toate cerinţele şi parametrii optimi pentru obtinerea de rezultate corecte: • Să se realizeze un program de interpretare a rezultatelor obţinute din analiza

experimentală şi de tratament de imagine bazat pe metode numerice avansate. • Să se efectueze un studiu comparativ între diferite metode de termografie în infraroşu

folosite şi între diferiţi parametrii de funcţionare (timp de excitare, metoda transmisiei, metoda reflexiei, temperatura de excitare a eşantioanelor, mărimea defectelor induse, etc.)

• Pe baza rezultatelor obţinute şi a metodelor studiate să se contureze o serie de concluzii ale acestei lucrări.

Capitolu l 2. Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

21

Pe baza obiectivelor de mai sus, lucrarea de doctorat trebuie să aducă elemente inovatoare şi de originalitate care să îi confere un grad ridicat de importanţă în domeniul ingineriei.

Răzvan Gabriel DRĂGAN. Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

22

CAPITOLUL 4

STUDII TEORETICE PRIVIND TESTAREA PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROŞU A SISTEMELOR

Acest capitol îşi propune un studiu amănunţit al fenomenelor fizice care stau la baza testărilor prin termografie în infraroşu şi partea preliminară a experimentelor, modelarea şi simularea metodelor folosite.

4.1. BAZELE TEORETICE ALE TRANSFERULUI DE CĂLDURĂ Transferul de căldură poate fi definit ca fiind o ştiinţă a propagării căldurii în spaţiu

reprezentând totodată schimbul de energie termică între două sisteme având temperaturi diferite [Badea2005]. Transferul de căldură se bazează pe cele două principii fundamentale ale termodinamicii, primul principiu al termodinamicii exprimă legea conservării termice în procesele de transfer, iar cel de-al doilea principiu se referă la faptul ca transferul de căldură se realizează întotdeauna de la o temperatură ridicată la o temperatură mai coborâtă. Termodina-mica permite determinarea cantităţii totale de energie de care un corp are nevoie pentru a trece de la o stare la alta în momentul interacţionării acestuia cu mediul exterior [Jann2008]

4.1.1 Câmpul de temperatură Starea termică şi gradul de încălzire al unui corp este determinată de temperatura acestuia.

Într-un mediu solid, lichid sau gazos, fiecare punct ( )zyxM ,, poate fi definit de o anumită temperatură, funcţie de coordonatele punctului şi de timp, definită de [Badea2005, Jann2008]:

( )τ,,, zyxTT = (4.1)

Relaţia (4.1) defineşte câmpul de temperatură nestaţionar şi tridimensional. În cazul în care câmpul de temperatură nu depinde de timp atunci putem spune că acesta este staţionar şi permanent. O altă variantă de câmp de temperatură este câmpul staţionar unidirecţional care nu depinde de timp ci doar de o singură dimensiune:

( )xT (4.2)

4.1.2. Gradientul de temperatură Locul geometric în care punctele reunite au aceeaşi

temperatură se numeşte suprafaţă izotermă. În lungul normalei la o suprafaţă izotermă variaţia temperaturii pe o unitate de lungime este maximă, variaţie ce este dată de gradientul de temperatură (fig. 4.1).

Fig. 4.1. Gradientul de temperatură. [BADEA2005]

Capitolu l 4. Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor

23

4.1.3. Fluxul termic Fluxul termic reprezintă cantitatea de căldură care pătrunde printr-o suprafaţă izotermă

într-o unitate de timp:

QQτ

∆=

∆ [W]; (4.3)

unde: Q∆ [J]este cantitatea de căldură şi τ∆ [s] este intervalul de timp. Fluxurile termice se clasifică în 3 categorii:

• Fluxul termic unitar de suprafaţă Fluxul termic de suprafaţă reprezintă fluxul termic transmis printr-o unitate de suprafaţă:

sQqS

= [W/m2]; (4.4)

unde: Q [W] este fluxul termic şi S [m2] este unitatea de suprafaţă. • Fluxul termic unitar liniar

Fluxul termic unitar liniar reprezintă fluxul termic transmis printr-o unitate de lungime:

lQqL

= [W/m]; (4.5)

• Fluxul termic unitar volumic Fluxul termic unitar volumic este fluxul termic ce trece printr-o unitate de volum.

vQqV

= [W/m3]; (4.6)

4.1.4. Temperatura şi unităţile de măsură ale acesteia Temperatura poate fi exprimată în scale absolute sau relative. [Amm1999] Scalele absolute

cunoscute sunt: scala „Rankine” în sistem imperial şi notată cu „R” şi scala „Kelvin” în sistem metric, notată cu „K”. Scalele relative sunt „Fahrenheit” în sistem imperial şi notat cu „F” şi „Celsius” în sistem metric, notat cu „C” [Amm1999].

Conversia dintre scalele amintite mai sus se poate face după cum urmează: T Celsius = 5/9 (T Fahrenheit -32)

T Fahrenheit = 9/5 T Celsius +32

T Rankine = T Fahrenheit + 459.7

T Kelvin = T Celsius + 273,16

În literatura de specialitate se întâlneşte noţiunea de „zero absolut” ce reprezintă o temperatură de 0o K egală cu -273,16o C şi egală cu -459,70o F.

4.1.5. Modurile de transfer termic Transferul termic se poate realiza prin trei moduri fundamentale: conducţie, convecţie şi radiaţie.

Conducţia termică reprezintă transferul de căldură printr-un mediu solid, lichid sau gazos fără deplasarea particulelor ce alcătuiesc corpul respectiv, sub influenţa unei diferenţe de temperatură. Propagarea căldurii prin conducţie termică în interiorul unui corp se bazează pe

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

24

transmisia prin vibraţia atomilor, moleculelor sau prin electronii liberi. Ea poate fi exprimată prin ecuaţia lui Fourier în care densitatea fluxului de temperatură este proporţională cu gradientul de temperatură.

xTSQ

∂∂

−= λ [W]; (4.7)

Tgradqs ⋅−= λ [W]; (4.8)

unde: λ [W/(mK)] este coeficientul de conductivitate termică, S [m2] este suprafaţa, Q [W] şi sq [Wm2)] reprezinta fluxul termic şi fluxul termic unitar de suprafaţă, T [K] este temperatura.

Semnele minus prezente în cele două ecuaţii reprezintă direcţia de propagare a fluxului termic şi anume, de la o temperatură mai ridicată către o temperatură mai coborâtă.

Ecuaţia ce guvernează transferul termic prin conducţie este ecuaţia lui Fourier şi defineşte conducţia termică ca fiind unidirecţională într-un regim permanent, prin corpuri izotrope şi omogene, fără prezenţa unor surse interioare de căldură.

dxdTqs ⋅−= λ [W/m2] (4.9)

Conducţia termică printr-un material se realizează în funcţie de o serie de parametri: căldura specifică notată - cp, densitatea materialului - ρ, difuzivitatea termică a materialului a şi dimensiunile geometrice ale elementului prin care are loc transferul termic conductiv.

Difuzivitatea termică este proprietatea materialului ce defineşte capacitatea acestuia de transporta căldură prin transfer termic.

pca

⋅=

ρλ , (4.10)

unde: λ este coeficientul de conductivitate termică, ρ este densitatea materialului şi pc căldura specifică. Odată cunoscute toate acestea poate fi definită ecuaţia generală a conducţiei termice:

λτvqTT

a+∇=

∂∂ 21 , (4.11)

unde: a este difuzivitatea termică a materialului, 2T∇ laplacianul temperaturii, vq este fluxul termic unitar volumic.

Convecţia termică este definită în literatura de specialitate ca fiind procesul de transfer termic dintre un perete şi un fluid, cum ar fi aerul, sub acţiunea unei diferenţe de temperatură dintre cele două medii [Badea2005, Jann2008, Lel1992]. Convecţia termică este determinată de conducţia care are loc în stratul limită de lângă perete, acumularea energiei în interior, şi mişcării particulelor de fluid. Totodată un factor important este mişcarea de amestec a fluidului şi viteza

Fig. 4.3. Schema transferului termic prin

conducţie termică.

Capitolu l 4. Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor

25

acestuia. În funcţie de mişcarea de amestec şi de viteză, convecţia se poate clasifica în două mari ramuri:

- Convecţie termică liberă sau naturală este determinată de mişcarea liberă a fluidului generată de variaţia densităţii acestuia cu temperatura.

- Convecţie termică forţată este determinată de o mişcare forţată a fluidului generată de factori externi, cum ar fi: pompe, diferenţe de nivel, ventilatoare etc.

Ecuaţia fundamentală valabilă pentru transferul termic prin convecţie a fost enunţată de către Newton în anul 1701 (4.12):

( ) TSTTSQ pf ∆⋅⋅=−⋅⋅= αα [W], (4.12)

unde: α [W/(m2K)] este coeficientul de convecţie, T f , pT [K] sunt temperaturile fluidului şi peretelui şi S [m2], suprafaţa peretelui. Sub formă de flux termic unitar de suprafaţă:

Tqs ∆⋅= α [W/m2] (4.13)

Coeficientul de convecţie reprezintă fluxul termic ce este transmis prin convecţie printr-o suprafaţă izotermă la o diferenţă de temperatură de 1 grad Kelvin. Acesta îşi poate modifica valoarea de-a lungul unei suprafeţe de transfer de căldură, de aceea în calcule coeficientul de convecţie utilizat este unul mediu. El depinde de o serie de factori, cum ar fi: viteza fluidului, temperatura, geometria suprafeţei încălzite, tipul fluidului, etc.

Radiaţia termică reprezintă procesul de transmisie de căldură dintre două corpuri având temperaturi diferite şi fiind separate în spaţiu. Orice corp cu o temperatură mai mare decât 0 °K emite radiaţie electromagnetică sub formă de energie. Transportul energiei se realizează prin intermediul fotonilor ce se deplasează cu viteza luminii în spaţiu în funcţie de lungimea de undă a radiaţiei corpurilor. Astfel, putem spune ca radiaţia este caracterizată de lungimea de undă sau de frecvenţa acesteia.

λν /c= , (4.18)

unde: λ este lungimea de undă; ν este frecvența şi c este viteza luminii: c = 2,998·108 m/s. Un corp ce emite radiaţie termică către alt corp are proprietatea la rândul sau de a primi

radiaţie de la alte corpuri. Radiaţia primită de către corp poate fi absorbită în totalitate sau poate fi reflectată de acesta în funcţie de emisivitatea acestuia.

Relaţia care stă la baza transferului de căldură prin radiaţie a fost stabilită experimental în anul 1879 de către Josef Stefan (1835 - 1893) şi teoretic de către Ludwig Boltzmann (1844 - 1906) în anul 1884, rezultând ecuaţia Stefan – Boltzmann care exprimă fluxul termic ce este emis de către un corp negru şi este reprezentată mai jos [Badea2005, Clem2005, Incrop].

40 TSq ⋅⋅= σ [W]; cu ( )428

0 mW/1067,5 K⋅⋅= −σ , (4.19, 4.20)

unde: 0σ este coeficientul de radiaţie al corpului negru; S [m2], suprafaţa şi T [K], temperatura. A. Legea lui Planck este legea radiaţiei termice ce reprezintă distribuţia puterii de radiaţie

Iλ funcţie de temperatură şi lungimea de undă şi este dată de următoarea relaţie [Badea2005, Clem2005, Incrop].

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

26

( ) ( )12, /5

2

−= kThce

hcTI λλ λλ [W/(m2µm)], (4.21)

unde: h = 6,6256 ·10-34 J·s şi reprezintă constanta lui Planck; k = 1,3805 · 10-23 J/K, constanta lui Boltzmann; c = 2,998 · 108 m/s, viteza luminii; λ este lungimea de undă şi T, temperatura absorbantă a suprafeţei. Pe baza formulei de mai sus se poate scrie puterea de emisie sub forma:

( ) ( )1, /5

12 −

= TCeCTE λλ λ

λ [W/(m2µm)], (4.22)

unde: C1 şi C2 reprezintă constantele lui Planck pentru radiaţie; valorile lor fiind: 2 8 4 2

1 2 2,742 10 ( ) / mC hc W mπ µ= = ⋅ ⋅ şi 42 / 1, 439 10C hc k m Kµ= = ⋅ ⋅ .

B. Legea lui Wien. Wilhelm Wien a reuşit să măsoare în anul 1893 distribuţia spectrală a unui corp negru pentru diferite temperaturi găsind că energia la vârf este proporţională cu lungimea de undă ce ii corespunde acesteia [ClemNadea2005]:

8,28973max == CTλ [µmK] (4.23)

Un exemplu al aplicabilităţii legii lui Wien ar fi temperatura solară care are o valoare de 5778°K şi, aplicând legea lui Wien, acestei temperaturi îi corespunde o emisie de vârf la o lungime de undă de 502 nm.

C. Legea lui Stefan – Boltzmann se formulează astfel: puterea totală de emisie a corpului negru este proporţională cu temperatura absolută a acestuia la puterea a patra (4.24).

4

04

0 100

=⋅=

TCTE σ [W/m2], (4.24)

unde: 85, 67 10σ −= ⋅ şi 0 5, 67C = [W/(m2K4)] sunt coeficienţii de radiaţie ai corpului negru.

4.2. MODELAREA RĂSPUNSULUI TERMIC AL STRUCTURILOR În acest subcapitol s-a urmărit dezvoltarea unei metode de modelare a răspunsului termic al

structurilor analizate cu ajutorul termografiei. Materialele folosite pentru analiza transferului termic, detectarea defectelor interne şi a materialelor prezente în masa acestora prin termografie au fost betonul simplu şi armat şi materiale bioceramice. Pe baza primului subcapitol „Bazele transferului termic” în care au fost studiate fenomenele din punct de vedere fizic şi matematic s-au putut realiza ulterior programe de calcul şi introducerea corectă a datelor de intrare şi interpretarea rezultatelor cu softuri specializate în modelarea cu element finit.

4.2.1. Metoda de modelare Pentru modelarea răspunsului termic al materialelor utilizate s-a ales metoda elementului

finit utilizându-se pachete de înaltă performanţă destinate acestei ramuri, cum ar fi: Matlab 2010, Comsol Multiphysics şi Solid Works 2010. Pentru modelarea răspunsului termic a trebuit să se ţină cont de o serie de parametrii de intrare importanţi: ­ realizarea unui model 3D ce respectă dimensiunile geometrice şi propritățile materialului;

Capitolu l 4. Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor

27

­ definirea timpilor de excitare termică şi a modului de încălzire: radiaţie, convecţie, conducţie;

­ temperatura iniţială de la care se porneşte excitarea termică a eșantionului; ­ precizarea proprietăţilor materialului: emisivitatea, capacitatea calorică, densitatea,

conductivitatea termică, coeficientul de expansiune termică, modulul lui Young, etc. ­ definirea elementelor geometrice ţinându-se cont de suprafeţele curbe unde este cazul; ­ verificarea ecuaţiilor ce stau la baza modelării, etc.

Pentru modelarea răspunsului termic al structurilor s-a căutat un program dedicat modelarii prin element finit, în acest caz Comsol Multiphysics. Comsol Multiphysics este un soft destinat analizei prin element finit, rezolvării şi simulării pentru diferite aplicaţii fizice şi inginereşti. O calitate importantă a acestuia o reprezintă interfaţa de comunicare cu Matlab ce este destinat calculului numeric şi al reprezentărilor grafice. Procedura de modelare conține algoritmul descrierii răspunsului termic utilizând Comsol şi Solid Works. Practic modelele au fost realizate în Solid Works, după realizarea acestora ele au fost importate în Comsol unde a fost făcută simularea prin element finit.

Fig. 4.8. Modelul plăcii de beton 400x400x50 mm, armată cu trei bare longitudinale ∅= 12 mm, realizat

în SolidWorks: .

După realizarea plăcii din beton armat în SolidWorks s-a trecut la analiza cu element finit în Comsol Multiphysiscs. Înainte de analiza elementelor au fost setate tipul fenomenului, în acest caz transferul termic, tipul transferului termic (1D, 2D sau 3D) regimul de transfer (staţionar sau în funcţie de timp), acestea sunt prezentate în figura 4.9.

a) b) c)

Fig. 4.9. Alegerea: fenomenului fizic (a); tipului de transfer termic (b); regimului de transfer termic (c).

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

28

Comsol oferă posibilitatea realizării unor modele simple. Pentru a putea genera modele mai complexe, alcătuite din mai multe elemente şi înglobate în masa materialului, se utilizează programe de modelare 3D. Datorită interfeţei de comunicare între SolidWorks şi Comsol această procedură este mai simplu de realizat (fig. 4.5).

Fig. 4.10. Importarea modelului 3D din Solid Works în Comsol Multiphysics.

După importarea modelului 3D al plăcii din beton armat a fost necesară introducerea proprietăţilor materialelor: betonului şi ale armăturii de oţel înglobate(fig. 4.6).

Fig. 4.11. Introducerea proprietăţilor betonului. Fig. 4.12. Introducerea proprietăţilor oţelului

Definirea elementelor suprafeţelor elementelor s-a realizat pentru fiecare element în parte, placa de beton cu găuri având diametrul barelor şi armăturile de oţel. Cel mai mic element a fost stabilit la 0,001 m, iar cel mai mare la 0,02 m. (fig. 4.13, a şi b).

Odată cu finalizarea realizării modelului întreg şi introducerii proprietăţilor materialelor se poate trece la introducerea parametrilor termici, fluxul termic, sursa de căldură şi puterea de încălzire, valorile iniţiale ale temperaturii modelului 3D de la care începe excitarea termică, temperatura mediului, izolarea suprafeţelor modelului, ecuaţiile de transfer termic. În figura 4.13 a,b sunt prezentate fluxul termic, coeficientul de convecţie şi sursa de încălzire.

Capitolu l 4. Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor

29

a) b)

Fig. 4.13. Definirea elementelor: plăcii de beton fără armătură (a), ale armăturii interioare (b).

a) b)

Fig. 4.14. Sursa de încălzire [W] şi formula de calcul (a), fluxul termic, formula de calcul, coeficientul de convecţie al aerului şi temperatura exterioară (b).

4.2.2. Structuri de construcţii civile Pentru analiza răspunsului termic pe structuri civile s-a luat în considerare o placă realizată

din beton cu dimensiunile de 400x400x50 mm şi armături din oţel având diametrul cuprins între 12 mm şi 18 mm. Simularea s-a realizat utilizând diferite diametre de armătură pentru a putea analiza influenţa coeficientului de conductivitate termică a armăturii din interiorul betonului în procesul de transfer termic. Totodată s-a urmărit determinarea câmpului de temperatură de pe suprafaţa plăcii şi analiza diferenţelor de temperatură dintre armătura şi beton pentru o detectare ulterioară a armăturii cu camera termografică.

Betonul este un conglomerat artificial obţinut prin amestecarea unui material inert (agregatul) cu un liant (ciment) şi apă până la o distribuţie uniformă. Sistemul apă-ciment reprezintă partea activă, având rolul de a lega într-un tot unitar agregatele şi de a umple spaţiile dintre acestea.S-a luat în calcul un beton având clasa de rezistenta de C16/20, unde 20 reprezintă rezistenţa minimă la compresiune [MPa] determinată pe cuburi din beton având latură egală cu

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

30

150 mm şi 16 reprezintă rezistenţa minimă la compresiune determinată pe cilindrii având diametrul de 150 mm şi înălţimea de 300 mm. Pentru analiza răspunsului termic al elementului de beton a fost necesară introducerea proprietăţilor fizice în programul de analiză prin element finit, Comsol Multiphysics: densitatea - ρ = 2300 Kg/m3, conductivitatea termică - λ = 1,80 W/m·K, capacitatea termică la presiune constantă - Cp = 750 J/Kg·K, coeficientul de dilatare termică - α = 10-6 1/K, coeficientul de elasticitate - E = 25·109 Pa, coeficientul lui Poisson - η = 0,33.

Pentru armarea plăcii s-a utilizat un oţel folosit în construcţii, PC 52 având diametre cuprinse între 12 şi 18 mm. În Comsol au fost introdusi urmatorii parametrii ai oţelului: densitatea - ρ = 7850 Kg/m3, conductivitatea termică - λ = 44,50 W/m·K, capacitatea termică la presiune constantă - Cp = 475 J/Kg·K, coeficientul de dilatare termică - α = 12,30·10-6 1/K, coeficientul de elasticitate - E = 200·109 Pa, coeficientul lui Poisson - η = 0,33.

Pentru modelarea răspunsului termic a unei plăci de beton simplu (fără bare de armare), s-a considerat o placă realizată din beton simplu având dimensiunile de 400x400x50 mm încălzită uniform cu o sursă de căldură la partea inferioară pe o perioadă de timp de 60 de minute cu un interval de înregistrare de 1 minut. Puterea fluxului termic transmis de sursa de căldură a fost setată la 120 W. Temperaturile iniţiale pentru placă şi pentru mediul ambiental au valoarea de 17,00 oC, respectiv 19,00 oC (fig. 4.15).

a. b.

Fig. 4.15. Modelul 3D al plăcii din beton simplu (a) şi definirea elementelor suprafeţelor (b).

După 60 de minute de la pornirea sursei de încălzire a rezultat distribuţia temperaturii pe suprafaţa exterioară şi inferioară (suprafaţa încălzită de sursa) a plăcii de beton ilustrată în figura următoare (fig. 4.16, a şi b).

Urmând principiul al II-lea al termodinamicii se poate vedea cum fluxul termic se propagă prin grosimea plăcii de beton dinspre partea inferioară (încălzită) înspre partea superioară (rece). Diferenţa de temperatură T∆ , înregistrată între suprafaţa inferioară şi suprafaţa superioară, în funcţie de grosimea plăcii de beton, este C151,24971,25122,50 °=−=−=∆ si TTT .

Capitolu l 4. Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor

31

a) b)

Fig. 4.16. Distribuţia termică pe suprafaţa exterioară a plăcii de beton după 60 de minute (a), distribuţia termică pe suprafaţa inferioară a plăcii de beton după 60 de minute (b).

Se poate observa că o placă de beton simplu având grosimea de 50 de mm are capacitatea de a reţine 24,151 oC, diferenţă înregistrată după 60 de minute de încălzire.Pentru evidenţierea gradientului de temperatură placa de beton a fost împărţită în şase secţiuni egale (fig. 4.17).

Fig. 4.17. Evoluţia temperaturii în placa de beton reprezentată în diferite secţiuni.

Din figura 4.17 se poate observa o concentraţie a temperaturii înspre mijlocul plăcii de beton. Evoluţia câmpului de temperatură şi a suprafeţelor izoterme în placa de beton a fost determinată la fiecare 15 minute până la finalul simulării (fig. 4.18, a, b şi c).

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

32

a) b)

c) d)

e)

Fig. 4.18. Evoluţia câmpului de temperatură: t=0 min (a); t=15 min (b), t=30 min (c); t=45 min (d), t=60 min (e).

Pentru determinarea profilului termic a fost definită o linie ce a tăiat suprafaţa exterioară a plăcii de beton înregistrând liniar în fiecare punct valoarea temperaturii. Totodată, pentru a vedea evoluţia în timp a acestui profil au fost reprezentate profilele termice la fiecare 60 de secunde. În figura 19 este ilustrată linia profilului termic pe suprafaţa exterioară a plăcii de beton, iar în figura 20 se observă graficul de evoluţie a profilului termic în funcţie de timp.

Capitolu l 4. Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor

33

Fig. 4.19. Linia profilului termic al plăcii (linia roşie).

Fig. 4.20. Profilul termic al plăcii de beton distribuit în timp (pentru suprafaţa superioară).

În figura 4.20 se poate observa o evoluţie curbă a temperaturii, temperatura fiind maximă în centrul plăcii şi coborând spre extremităţi, datorită pierderii de căldură pe suprafeţele laterale a plăcii de beton şi a influenţei convecţiei termice, fluidul din vecinătatea stratului conductiv de lângă suprafaţa laterală a plăcii generând o răcire.. Variaţia temperaturii maxime în timp este :

C802,19037,17839,360max °=−=−=∆ fTTT , (4.28)

unde: 0T este temperatura iniţială; fT este temperatura finală la mijlocul plăcii (după 60 min.) și

variaţia temperaturii minime,

C998,14011,17009,320min °=−=−=∆ fTTT , (4.29)

unde: 0T este temperatura iniţială a plăcii de beton în zona de margine; fT este temperatura

finală în zona de margine (după 60 de minute).

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

34

În figura următoare este prezentat profilul termic al plăcii de beton în funcţie de grosimea plăcii de beton şi de timp.

Fig. 4.21. Profilul termic al plăcii de beton pe grosime (încă lzirea de la dreapta la stânga).

Pentru modelarea răspunsului termic pentru o placa de beton armat (bare cu ∅=12 mm) s-a considerat o placă armată cu trei bare longitudinale din oţel profilat pentru construcţii având diametrul ∅=12 mm şi lungimea de 500 mm. Dimensiunile plăcii au fost păstrate ca în cazul precedent, 400x400x50 mm. Placa, împreună cu barele înglobate în masa acesteia, au fost încălzite uniform cu o sursă de căldură la partea inferioară timp de 60 de minute cu un pas de înregistrare de 1 minut. Puterea fluxului termic transmis de sursa de căldură a fost stabilită, ca şi în cazul precedent, la o valoare de 120 W. Temperaturile iniţiale luate în considerare pentru placă şi pentru mediul ambiental au fost de 17oC, respectiv, de 19oC.

a) b)

Fig. 4.22. Modelul 3D al plăcii (a); detaliul definirii suprafețelor ansamblului bară-placă (b).

Modelul 3D al plăcii din beton armate a fost realizat în Solid Works după care modelul a fost importat în Comsol. În continuare s-a urmărit distribuţia temperaturii pe cele două suprafeţe

Capitolu l 4. Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor

35

ale plăcii: în contact cu sursa de încălzire şi cea superioară (suprafaţa liberă). După 60 de minute de încălzire a plăcii de beton armat s-a înregistrat distribuţia termică pe ambele părţi ce se poate observa în figura 4.23, a şi b.

a. b.

Fig. 4.23. Distribuţia termică pe suprafaţa: exterioară a plăcii de beton armat după 60 de minute (a), inferioara (în contact cu sursa de încălzire) a plăcii din beton armat după 60 de minute (b).

Analizând figura 4.23.a, se observă o sensibilă modificare a distribuţiei de temperatură de pe suprafaţa plăcii de beton armat datorată coeficientului de conductivitate termică al barelor de oţel λ = 44,50 W/m·K, mult mai mare faţă de coeficientul de conductivitate termică al betonului λ = 1,80 W/m·K. În figura 4.23.b se poate observa cu uşurinţa reţeaua de armătură din oţel din interiorul plăcii de beton.

a. b.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

36

c. d.

e. f.

Fig. 4.24. Evoluţia câmpului de temperatură în placa de beton armat: t=0 min (a), t=15 min (b), t=30 min (c), t=45 min (d), t=60 min (e), detaliu în zona armăturii (f).

Evoluţia câmpului de temperatură şi a suprafeţelor izoterme în placa de beton a fost determinată la fiecare 15 minute până la finalul simulării. Utilizând această opţiune se poate vedea cum armătura din oțel influenţează câmpul de temperatură de suprafață (fig. 4.24 a,b,c,d,e,f) [Dragan2014a].

Pentru detectarea diferenţelor de temperatură dintre armătura de oţel şi beton la suprafaţa exterioară a fost realizat un profil termic al plăcii de beton armat (fig. 4.25), unde se poate observa că în zona celor trei armături din interiorul plăcii de beton apare o

Fig. 4.25. Profilul termic al plăcii de beton distribuit în

timp (pentru suprafaţa superioară).

Capitolu l 4. Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor

37

schimbare de temperatură care evoluează în funcţie de fluxul de căldură şi de timp. În figura 4.26, a a fost realizat profilul termic al plăcii în zona armăturilor dupa 15 minute

de la pornirea sursei de căldură, iar în figura 4.26, b a fost realizat profilul termic după 30 de minute de la pornirea sursei. După 15 minute de incalzire (fig. 4.20, a), diferenta de temperatură între armatură şi beton este Ta – Tb = 0,12 oC. în următorul grafic, la o încălzire de 30 de minute, a rezultat o diferentă de temperatură Ta – Tb = 0,22 oC. În final (fig. 4.26, c), se observă profilul termic al plăcii de beton la finalul încălzirii. După 60 de minute, Ta – Tb = 0,37 oC.

a) b) c)

Fig. 4.26. Profilul termic al plăcii de beton (suprafața superioară) după 15 min. (a) şi după 30 de min. (b).

4.2.3. STRUCTURI BIOCERAMICE În acest subcapitol este simulat răspunsul termic pentru un eşantion cilindric realizat din

Al2O3 având grosimea g = 3,00 mm și diametrul ∅ = 15,30 mm. În interiorul eşantionului au fost realizate defecte de diferite mărimi, avînd diametrul cuprins între 0,5 și 1,2 mm.

Metoda presupune realizarea unui model 3D al eșantionului în Solid Works și după importarea și modelarea răspunsului termic în Comsol Multiphysics. Introducerea proprietăților fizice și termice ale materialelor în programul de analiza cu element finit este foarte importanta, o analiza cu proprietăți eronate putând genera erori majore în procesul de calcul al programului.

4.2.3.1. Modelarea unui eșantion cu defect intern cilindric

Acest caz a necesitat realizarea unui defect intern în masa eșantionului bioceramic. Defectul a fost poziţionat în centrul eşantionului având dimensinile l = 5 mm și ∅ = 1 mm. După realizarea modelului 3D, acesta a fost introdus în Comsol unde a fost realizat modelul de calcul pentru transfer termic și discretizarea tuturor suprafeţelor, inclusiv pe pereţii defectului intern din masa eşantionului (fig. 4.28). Încălzirea eşantionului a fost realizată în funcție de timp pe o durată de 50 de s, folosindu-se metoda reflexiei pentru detectarea defectului - încălzirea și vizualizarea zonei de interes se fac pe aceeaşi parte a defectului.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

38

a) b) c)

Fig. 4.28. Eşantion din Al2O3: modelul 3D (a); discretizarea suprafeţelor (b); detaliu cu defectul (c).

Se poate observa influenţa defectului intern asupra transferului de căldură în acest caz de detectare prin reflexie - datorită micșorării secțiunii în zona defectului și diferenţei dintre coeficienţii de conductivitate termică.

a) b)

Fig. 4.29. Distribuţia temperaturii pe suprafaţa defectului

(a), și secţiune prin defect (b) după 5 secunde. Fig. 4.30. Profilul termic al eşantionului de Al2O3 după 5 secunde de la pornirea sursei

de căldură.

Pentru a fi evidențiată diferenţa de temperatura dintre defect și restul eşantionului s-a realizat un profil termic determinat la 5 secunde de la pornirea sursei de căldură, profil termic ilustrat în figura 4.30. Se poate observa că după 5 secunde de la pornirea sursei de căldură defectul devine vizibil înregistrându-se o diferenţă de temperatură între zona fără defect a materialului și defect de 0,31 oC.

Răzvan Gabriel DRĂGAN. Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

39

CAPITOLUL 5

CONTRIBUŢII EXPERIMENTALE PRIVIND ANALIZA SISTEMELOR

PRIN TERMOGRAFIE ÎN INFRAROŞU Obiectivul global al acestui capitol l-a constituit studiul experimental al testării sistemelor

prin termografie în infraroşu activă. Pe baza unei documentari riguroase au fost alese şi testate metode de analiză a sistemelor prin termografie în infraroşu având aplicabilitatea în diferite domenii validând acest fapt prin încercări experimentale. În figura 5.1 este prezentată schema de bază a principiului analizei sistemelor prin termografie în infraroşu activă utilizată în acest capitol.

Fig. 5.1. Schema de bază a principiului de analiză a sistemelor prin termografie în infraroşu.

Fig. 5.2. Schema surselor de excitare termică şi a domeniilor de aplicare a acestora.

Acest capitol şi-a propus totodată utilizarea mai multor tipuri de surse de excitare termică în vederea detectării defectelor induse în diferite sisteme sau studiul comportării termice a al acestora. În figura 5.2 sunt prezentate sursele de excitare termică folosite în acest capitol pentru validarea metodelor de analiză termografică, împreună cu domeniile şi materialele pe care au fost aplicate.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

40

5.1. PROIECTAREA EXPERIMENTULUI ÎN VEDEREA DETERMINĂRII DEFECTELOR PRIN TIR ACTIVĂ PE MATERIALE BIOCERAMICE

ŞI PE ŢESUTURI OSOASE Proiectarea parţii experimentale a analizei sistemelor bioceramice şi a ţesuturilor osoase a

presupus în prealabil o bună cunoaştere a structurilor, aplicabilităţii şi a comportamentului termic al acestora. Totodată au trebuit studiate fenomenele termice ce guvernează metodele de analiză prin termografie în infraroşu şi o bună cunoaştere a limitelor aplicabilităţii termografiei în infraroşu în acest sens. Un alt punct important l-a constituit alegerea şi construirea unor echipamente sau dispozitive ce să conducă la îndeplinirea obiectivelor propuse.

5.1.1 Stabilirea obiectivelor experimentelor Obiectivele unui experiment presupun evaluarea cantitativă şi calitativă a ansamblului

format din fenomenul ce este studiat şi mărimile ce sunt măsurate. Partea experimentală privind analiza prin termografie în infraroşu a materialelor bioceramice şi a ţesuturilor osoase a avut ca scop principal detectarea diferitelor tipuri de defecte utilizând metode de testare activă prin termografie în infraroşu.

Noţiunea de analiză a sistemelor prin termografie în infraroşu, aplicaţii ale acesteia şi principii de bază au fost explicate în stadiul actual al lucrării (capitolul 2). Obiectivele au fost bazate pe tipul sistemelor ce urmează a fi analizate, metode ce ar putea fi aplicate în acest sens, instalaţii şi sisteme de detectare a defectelor, posibilitatea de interpretare a rezultatelor, condiţii şi medii necesare desfăşurării experimentelor.

În urma unei analize şi a unei documentări riguroase privind testarea prin termografie în infraroşu aplicată pe sistemele propuse, au rezultat următoarele obiective:

- Aplicarea şi compararea unor metode diferite de analiză a sistemelor bioceramice şi osoase prin termografie în infraroşu activă;

- Depistarea defectelor interne şi de suprafaţă; - Realizarea unui set de programe şi utilizarea de softuri de specialitate în vederea obţinerii

unor rezultate corecte; - Excitarea termică a sistemelor analizate utilizând surse termice diferite şi compararea

ulterioară a acestora; - Găsirea unor metode eficiente de analiză cu timpi reduşi de determinare şi compilare; - Realizarea unor eşantioane de probă în condiţii controlate folosind materiale şi tehnologii

de ultimă generaţie; - Inducerea unor defecte controlate în eşantioanele de probă; - Posibilitatea dezvoltării metodelor şi pe alt tip de materiale bioceramice şi alte sisteme.

Odată stabilite obiectivele părţii experimentale s-a putut trece la următoarele etape, şi anume: - Proiectarea instalaţiei experimentale; - Stabilirea condiţiilor optime de realizare a experimentelor cu privire la mediul ambiental,

amplasarea echipamentelor în raport cu eşantionul de probă, încadrarea în obiectiv a caracteristicelor echipamentelor, etc.

- Realizarea experimentului.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

41

5.1.2 Selectarea metodelor de analiză a sistemelor bioceramice şi osoase prin TIR

Ţinând cont de materialele şi de sistemele analizate s-a dorit alegerea unor metode cât mai precise, capabile de furnizarea unor rezultate corecte şi aplicabile de așa manieră încât să nu pună în pericol integritatea structurală a sistemelor. În acest sens au fost stabilite următoarele metode:

- analiza materialelor bioceramice prin termografie în infraroşu activă prin impulsuri, utilizând ca sursă de excitare termică laserul cu CO2;

- analiza materialelor bioceramice prin termografie în infraroşu activă utilizând ca sursă de excitare termică o sursă electrică tip rezistență;

- analiza materialelor bioceramice şi a ţesuturilor osoase prin termografie în infraroşu activă prin metoda impulsurilor utilizând ca surse de excitare termică lămpi fotografice cu halogen;

Odată determinate metodele de analiză prin termografie mai sus amintite a fost necesară alegerea unor camere termografice performante, având caracteristicele corespunzătoare în vederea atingerii obiectivelor vizate.

Pentru analiza sistemelor bioceramice prin termografie în infraroşu activă cu laser cu CO2 s-a ales o cameră termografică cu o sensibilitate mare şi să nu se intersecteze cu domeniul infraroşu în care lucrează laserul cu CO2 (10,6 µm) folosit în experiment. Camera utilizată având domeniul de măsurare cuprins între 3 şi 5 µm.

Pentru analiza sistemelor bioceramice şi a sistemelor osoase prin termografie în infraroşu activă prin impulsuri cu lămpi fotografice cu halogen s-a utilizat o cameră termografică performantă ce lucrează în domeniul de măsurare 7,5 – 13 µm.

5.1.3 Analiza materialelor bioceramice prin TIR activă prin impulsuri utilizând laserul cu CO2

5.1.3.1 Proiectarea instalaţiei experimentale

Pentru îndeplinirea obiectivelor pe care şi le-a propus partea experimentală a fost necesară proiectarea unei instalaţii experimentale capabilă să le îndeplinească şi să furnizeze rezultate concludente şi de finețe. Instalaţia experimentală este prezentată în figura 5.3 şi este compusă din următoarele echipamente:

• Cameră termografică FLIR SC 5000; • Laser cu CO2; • Sistem de deviere a fascicolului laser; • Geam de protecţie; • Trepied cameră termografică; • Suport pentru eşantioanele de probă; • Sistem central de control al camerei termografice şi de achiziţie a rezultatelor

experimentale; • Comutator pentru controlul timpului de excitare termică;

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

42

• Cronometru pentru controlul perioadei de exciatere a eşantioanelor de probă.

Fig. 5.3. Prezentarea instalaţiei experimentale utilizate. Sistemul laser utilizat pentru excitarea termică a eşantioanelor bioceramice este un laser

dedicat debitării în coordonate a materialelor (fig. 5.4.a). Acesta este dotat cu un sistem de comandă ce lucrează pe baza desenelor realizate în programe CAD și oferă posibilitatea decupării materialelor metalice şi nemetalice. Laserul este dotat de către producător cu un cap de focalizare (fig. 5.4.b) pentru convergerea fascicolului laser până la un diametru de 0.20 mm. Pentru a face posibilă excitarea termică a eşantioanelor, a fost nevoie de crearea unui dispozitiv de deviere a fascicolului laser din direcţie verticală în direcţie orizontală şi de mărire a diametrului acestuia pentru a putea încălzi întreaga suprafaţă a eşantionului. Laserul operează în domeniul infraroşu, având o lungime de undă egală cu 10,60 µm.

a. b.

Fig. 5.4. Prezentarea laserului cu CO2 (a); capul de taiere al laserului cu CO2 (b).

Dispozitivul de deviere al fascicolului laser. Laserul utilizat în vederea excitării termice a eşantioanelor bioceramice este dedicat debitării materialelor având direcţia de concentrare a fascicolului perpendiculară pe masa de tăiere. Pentru a putea excita termic eşantioanele a fost necesară o deviere a fascicolului laser din direcţia perpendiculară pe masa de taiere în direcţia paralelă cu aceasta, adică perpendicular pe eşantion. Totodată a fost necesară modificarea

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

43

diametrului fascicolului laser de aşa maniera încât să cuprindă toată suprafaţa eşantioanelor de probă. Pentru aceasta a fost folosit un dispozitiv de deviere a fascicolului laser, prezentat în figura 5.5.

Fig. 5.5. Dispozitivul folosit pentru devierea fascicolului laser.

Utilizarea acestui dispozitiv de deviere a avut la bază un studiu amănunţit de optică pentru determinarea parametrilor optimi de excitare termică. În figura următoare (fig. 5.6.a) este prezentat dispozitivul de deviere montat pe laserul cu CO2 şi schema optică a principiului de funcţionare al dispozitivului (fig. 5.6.b).

a. b.

Fig. 5.6. Dispozitivul de deviere a fascicolului laser montat pe echipament (a); Schema optica a principiului de funcţionare al dispozitivului de deviere (b).

unde: d1 şi d2 reprezintă diametrele fascicolului laser ce pătrunde în dispozitiv respectiv diametrul fascicolului la atingerea eşantionului; L1 şi L2 reprezintă lentilele de deviere, respectiv; l1 şi l2 sunt distanţele de la lentilă la oglindă respectiv, distanţa de la oglindă la cea de-a doua lentilă; f1 şi f2 sunt distanțele focale; D este distanţa dintre lentila L2 şi eşantionul de probă. Practic, fascicolul laser care este transmis de laserul cu CO2 după care este trecut prin lentila L1 parcurgând distanţa l1 şi deviat de oglinda din dispozitiv, după aceea acesta este deviat şi trecut prin lentila L2 fiind direcționat către eşantionul de probă.

Analizând schema optică a dispozitivului de deviere se poate calcula diametrul fascicolului laser la momentul impactului cu eşantionul, în funcţie de suprafața ce se doreşte a fi încălzită se

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

44

poate determina distanţa necesară dintre eşantion şi dispozitiv. Aceste determinări sunt posibile folosind ecuaţiile următoare:

121

21−+

⋅=

fffff (5.1)

Df

dDd ⋅=⋅= 155,012 (5.2)

Pentru acest experiment s-a optat pentru o cameră termografică ce să opereze într-un domeniu infraroşu diferit de lungimea de undă a laserului cu CO2 (10,60 µm ). Alţi parametrii importanţi luaţi în considerare în alegerea camerei a fost rezoluţia şi sensibilitatea detectorului infraroşu. În acest sens a fost folosită o cameră termografică performată de ultimă generaţie, FLIR SC5000, ilustrată în figura 5.7. Camera este dotată cu un detector InSb 320x256 pixeli ce oferă o sensibilitate mare. Frecvența imaginilor şi timpul de integrare sunt programabile.

• Domeniul de operare în infraroşu: 2,50 µm – 5,10 µm; • Numărul de pixeli: 320x256; • Intervalul de temperatură optim de operare: -20oC +55oC; • Frecvența de înregistrare a imaginilor: 5Hz – 380 Hz la calitate maximă. • Soft de analiză şi control al camerei: ALTAIR

a. b.

Fig. 5.7. Camera termografică FLIR SC5000 (a); captura soft de specialitate ALTAIR (b).

Camera termografică este dotată cu interfaţă pentru conectarea la computer fiind controlată prin intermediul softului de specialitate, nefiind dotata cu display.

Pentru acest experiment au fost folosite eşantioane bioceramice realizate dintr-un material bifazic compus din hidroxilapatită (HA) dopată cu alumină (Al2O3). Alumina este cel mai utilizat material bio-inert având proprietăţi mecanice excelente şi o biocmopatibilitate foarte bună [Ioano2012].

Materialul din care au fost fabricate eşantioanele a fost obţinut printr-un procedeu de precipitare apoasă într-un bio-reactor cu pereţi dubli, care menţin temperatura internă constantă.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

45

După trecerea prin acest procedeu a rezultat o substanţă solidă, cu un anumit grad de umiditate. Deshidratarea completă a substanţei şi purificarea acesteia a fost realizată prin uscarea la temperaturi înalte. După obţinerea pulberii aceasta a fost amestecată cu apă deionizată şi cu un agent dispersant rezultând amestecul final.

În continuare acesta a fost turnat în mulaje realizate din ipsos rezultând forma finită a eşantioanelor (fig. 5.8.a). Următorul pas l-a constituit crearea unei suprafeţe plane şi îndepărtarea oricărei neregularităţi de pe suprafaţa eşantioanelor prin şlefuirea acestora cu hârtie abrazivă cu granulozitate foarte fină.

a. b.

Fig. 5.8. Eşantioane din HA-Al2O3 (a); eşantioanele HA-Al2O3 având suprafeţele finisate cu hârtie abrazivă (b).

După fabricarea eşantioanelor au fost realizate două tipuri de defecte controlate, un defect intern cilindric şi un defect de suprafaţă sub forma unei cavităţi, simulând astfel porozități marite în structura materialului. Defectul intern a fost realizat utilizând o maşină de găurit specială, destinată operaţiilor de fineţe, “Hobby Drill 2000” cu mandrine pentru burghie cu diametrul între 0,3 şi 3,2 mm diametru.

Pentru defectul intern eşantionul de HA-Al2O3 a fost bine fixat într-un dispozitiv de prindere şi găurit cu un burghiu (fig. 5.9) având diametrul de 1 mm, de unde a rezultat un defect intern cu diametrul de 1 mm şi o adâncime de 11 mm. Procesul de găurire a fost unul delicat datorită grosimii mici a eşantionului şi a structurii materialului, acesta fiind casant.

Fig. 5.9. Procesul de realizare a defectului intern.

În final au rezultat eşantioane cilindrice cu diametrul de 15,3 mm şi înălţimea de 3 mm şi un defect intern cu diametrul de 1 mm şi o adâncime de 11 mm ilustrate în figura 5.10.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

46

a. b.

Fig. 5.10. Imaginea eşantionului de HA-Al2O3 (a); dimensiunile eşantionului şi ale defectului intern (b).

Realizarea defectului de suprafaţă a fost posibilă utilizând acelaşi tip de maşină de găurit, rezultând un defect cu adâncimea de 1 mm şi diametrul de 1,20 mm (fig. 5.11).

Fig. 5.11. Procesul de realizare al defectului de suprafaţă şi defectul rezultat.

Pentru compararea rezultatelor obţinute şi aplicării tratamentul de imagine în vederea detectării defectului a fost necesară fabricarea unui eşantion etalon fără defect.

Descrierea experimentului

Pentru realizarea experimentului privind analiza materialelor bioceramice prin termografie în infraroşu activă utilizând ca sursă de excitare termică laserul cu CO2 au fost utilizate echipamentele mai sus descrise împreună cu eşantioanele din material bioceramic.

În această parte au fost stabiliți parametrii optimi de testare prin termografie utilizând laserul cu CO2, după cum urmează:

a) Testarea eficienței dispozitivului de deviere a fascicolului de laser

Înainte de demararea experimentului propriu-zis a fost testat dispozitivul de deviere a fascicolului laser în vederea obţinerii unei zone de încălzire uniforme şi a unei temperaturi optime ce să nu afecteze integritatea structurală a eşantionului de probă. Pentru aceasta dispozitivul de deviere a fascicolului laser a fost testat pe o placă din gips - carton, având dimensiunile de 1200x800x12 mm.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

47

Dispozitivul de debitare cu care este dotat laserul cu CO2 din dotare a fost demontat şi înlocuit de dispozitivul de deviere. Placa de probă a fost montată pe poziţie la o distanţă de 3,80 m, camera termografică fiind amplasată pe aceeaşi parte cu laserul. Pentru siguranţa operatorului a fost montat un paravan de protecţie realizat dintr-o placă acrilică între zona de operare a laserului şi zona de control (fig. 5.12 a şi b).

a. b.

Fig. 5.12. Schema de testare a dispozitivului de deviere (a); Incinta de testare și eşantionul din gips carton (b).

Timpul de excitare a fost stabilit la 25 de secunde, iar în acelaşi timp suprafaţa a fost analizată cu camera termografică, înregistrându-se imagini cu o frecvență de 1Hz. După finalizarea excitării termice a plăcii cu laserul cu CO2 s-a continuat înregistrarea cadrelor până la 205 secunde urmărindu-se inerţia termică a eşantionului.

În fig. 5.13 este prezentată imaginea termografică a eşantionului după 25 de secunde de la pornirea laserului şi graficul de temperatură medie în zona încălzită. Graficul a fost realizat în softul dedicat ALTAIR şi a avut drept scop urmărirea evoluţiei temperaturii în timp.

Folosind ecuaţiile (5.1) şi (5.2) se poate stabili diametrul zonei încălzite de laser.

m589,080,3155,0155,012 =⋅=⋅=⋅= D

fdDd . (5.3)

În figura 5.13, a se poate observa ca încălzirea zonei nu este una uniformă, asta datorându-se repartiţiei spaţiale a fascicolului de laser după ce părăseşte dispozitivul de deviere.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

48

a. b.

Fig. 5.13. Imaginea termografică a zonei încălzite de laser după 25 de secunde (a); Graficul de temperatură medie a zonei încălzite în funcţie de timp (b).

Odată determinată eficiența dispozitivului de deviere a fascicolului laser şi a utilizării laserului cu CO2 ca sursă de excitare termică se poate trece mai departe la experimentul propus.

b) Amplasarea optimă a echipamentelor şi a eşantioanelor de probă

În vederea unei amplasări optime a componentelor instalaţiei experimentale s-au avut în vedere:

- Dimensiunile eşantionului de HA-Al2O3; - Performanțele camerei termografice şi a capacitaţii de focusare a imaginii; - Încălzirea uniformă a eşantionului; - Siguranţa operatorului; - Accesul la echipamente şi eşantioane în timpul determinărilor.

Fig. 5.14. Analiza sistemelor bioceramice prin TIR activă, utilizând laserul cu CO2.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

49

5.1.3.1. Rezultate privind analiza materialelor bioceramice prin termografie în infraroşu activă utilizând laserul cu CO2

În acest subcapitol sunt prezentate rezultatele obţinute în urma analizei materialelor bioceramice prin termografie în infraroşu activă utilizând laserul cu CO2 pentru excitarea termică a eşantioanelor. Au fost utilizate 3 tipuri de eşantioane în vederea validării acestei metode, un eşantion cu defect intern, un eşantion fără defect şi un eşantion cu defect de suprafaţă. Fiecare eşantion a fost încălzit şi analizat în acelaşi condiţii stabilite în urma discuţiilor de mai sus.

Pentru interpretarea rezultatelor a fost necesară crearea unor programe de analiză a imaginii şi a evoluţiei temperaturii. Aceste programe au fost realizate utilizând Matlab 2010 şi a constat în crearea unor algoritmi de calcul ce să permită analiza contrastului dintre eşantioanele cu defect şi cele fără defect, evoluţia temperaturii în timp în zone diferite de pe suprafaţa eşantioanelor etc. Imaginile înregistrate de camera termografică au fost transformate în fişier cu extensia ASC şi după introduse sub această formă în algoritmul de programare. Pentru a avea un control al evoluţiei temperaturii în zone defecte şi fără defect s-a stabilit în program intervalul la care au fost înregistrate imaginile (o secundă). Imaginile au fost transformate în matrice 3D, două dimensiuni reprezentând coordonatele spațiale, iar cea de-a treia dimensiune fiind determinată de timp, acesta reprezentând practic axa Z de coordonate. În figura următoare este prezentat principiul conversiei imaginii în matrice valori ce reprezintă temperatura în funcţie de rezoluţia camerei termografice. Fiecărei temperaturi i-a fost atribuită o culoare în funcţie de mărimea acesteia creând astfel o hartă termică a eşantionului.

Fig. 5.15. Transformarea imaginii în matrice de valori de temperatură.

Camera termografică are capacitatea de a detecta defectele interne dintr-un material bazându-se pe un principiu simplu discutat în partea teoretica a acestei lucrări şi anume, fenomenul de conducţie termică. Practic corpul încălzit va emite radiaţie termică la suprafaţă prin conducţie termică, radiaţia în infraroşu fiind detectată utilizând echipamentul termografic. Căldură se va propaga diferit în funcţie de conductivitatea termică a materialului, în acest caz având doua tipuri de conductivitate termică, conductivitatea termică a materialului analizat şi conductivitatea termică a aerului oclus [Drăgan2013]. Totodată un alt factor important în detectarea defectelor îl constituie coeficientul de difuzivitate termică care este determinat de capacitatea de căldură a materialului, de densitate şi dimensiuni, în cazul apariţiei unui defect, temperatura se va distribui neuniform pe suprafaţa acestuia.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

50

Timpul de excitare termică a eşantioanelor a fost stabilit la 3 secunde fiind suficient pentru o încălzire uniformă a acestora. S-a folosit un eşantion de probă fără defecte pentru a determina timpul de încălzire şi dacă aceasta se realizează uniform. Totodată s-a dorit folosirea unui eşantion de probă pentru a nu pune în pericol integritatea structurală a eşantioanelor ce urmau a fi analizate. În figura următoare (fig. 5.16) este prezentat rezultatul în urma încălzirii eşantionului şi evoluţia temperaturii medii de pe suprafaţa acestuia [Drăgan2013c].

a. b.

Fig. 5.16. Eşantionul de probă (a); graficul temperaturii medii în funcţie de timp (b).

După verificarea aplicabilităţii metodei s-a trecut la analiza eşantionului cu defect intern, defect având dimensiunile prezentate în fig. 5.6. a) Rezultate ale analizei prin termografie în infraroşu a eşantionului de HA-Al2O3 cu

defect intern

În această etapă au fost utilizate doua eşantioane, unul cu defect intern şi unul fără defect, fiind încălzite pe rând în acelaşi condiţii și analizate în acelaşi timp cu camera termografică. Metoda aleasă a fost metoda reflexiei, metodă validată anterior prin metoda elementului finit, încălzirea eșantionului şi înregistrarea imaginilor termografice făcându-se de aceeaşi parte a eşantioanelor.

Încălzirea a fost împărţită în 3 etape: - înregistrarea distribuţiei temperaturii iniţiale (la temperatura mediului ambiental) = 10

secunde; - excitarea termică a eşantioanelor = 3 secunde; - înregistrarea timpului de revenire = 74 secunde.

În total a rezultat un timp de analiză a eşantioanelor de 87 de secunde. După excitarea termică a eşantionului era foarte greu de localizat defectul pe imaginile termografice, de aceea a fost realizat un algoritm de calcul utilizând mediul de programare Matlab 2010 prin care să fie realizat contrastul între eşantionul de referinţă (fără defect) şi eşantionul cu defect, respectiv diferenţa dintre eşantionul cu defect şi temperatura iniţială a eşantionului. În figura 5.17 sunt prezentate imaginile termografice cu şi fără aplicarea metodei contrastului.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

51

Fig. 5.17. Imaginile termografice ale eşantioanelor de probă. Imaginea termografică a eşantionului fără defect(a); cu defect (b); contrast între eşantionul fără defect şi cu defect (c); contrast între termograma

iniţială şi cea la 3 secunde după oprirea laserului(d).

În figura 5.17, a se poate observa imaginea termografică a eşantionului de probă fără defect după 3 secunde de la oprirea excitării termice cu laser. Acesta a fost necesar pentru generarea contrastului şi a scoate în evidență defectul intern care este foarte greu vizibil după cum se poate observa în figura 5.17, b. În figura 5.17, b se regăseşte imaginea termografică a eşantionului cu defect intern înregistrat după 3 secunde de la oprirea laserului. Defectul intern este greu de vizualizat, aproape imposibil, de aceea a fost necesară contrastul dintre acesta şi eşantionul fără defect. În figura 5.17, c este prezentată imaginea termografică rezultată din diferenţa dintre imaginea termografică a eşantionului cu defect din figura 5.17, b şi imaginea termografică a eşantionului sănătos din figura 5.17, b. Din câte se observă, defectul devine perfect vizibil însă, nu se poate garanta acelaşi temperaturi ale eşantioanelor în momentul excitării termice și aceeași poziție, de aceea a fost necesară realizarea unui alt contrast bazat diferenţa dintre imaginea termografică a eşantionului cu defect înainte de excitarea termică şi imaginea termografică în momentul detectării defectului. Aceasta imagine este ilustrată în figura 5.17, d.

În figura 5.18 este prezentat profilul termic pe direcţia defectului intern înregistrat după 3 secunde de la oprirea excitării termice a eşantionului cu laserul. În intervalul 98 – 114 pixeli se poate observa o diferenţa considerabilă de temperatură ce indică clar prezența şi influența defectului intern din eşantionul de HA-Al2O3.

Odată determintă zona cu defect a eşantionului s-a trecut mai departe la realizarea unui grafic de evoluţie a temperaturii în funcţie de timp pentru a urmării diferenţele înregistrate între zona fără defect şi zona cu defect. În figura 5.19 este prezentat graficul de evoluţie a temperaturii în timp pentru eşantionul de HA-Al2O3, fără defect (5.19, a) şi cu defect (5.19, b). Acest algoritm

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

52

de calcul al evoluţiei temperaturii în cele două zone pentru cele două eşantioane (cu şi fără defect intern) a fost creat pentru a studia influenţa defectului intern în procesul de transfer termic prin materialele bioceramice, şi de a detecta cu exactitate momentul în care pe imaginea termografică apare defectul.

Fig. 5.18. Profilul de temperatură pe direcţia defectului intern din eşantionul de HA-Al2O3.

În figura 5.19, a (eşantionul fără defect) se observă o creştere a temperaturii de la pornirea laserului până la oprirea acestuia (3 secunde) de la 28,42 oC la 56,81 oC, înregistrându-se în aceasta perioada de timp o creştere a temperaturii de 28,39 oC. După oprirea sursei, temperatura a scăzut de la 56,81 oC până la 33,43 oC. Se poate observa că diferenţa dintre cele două linii este foarte mică neînregistrându-se diferenţe de temperatură încât să indice prezența unui defect.

a. b.

Fig. 5.19. Evoluţia temperaturii/timp pentru eşantionul sănătos (a); pentru eşantionul cu defect intern (b).

În figura 5.19b (eşantionul cu defect intern) se poate observa că temperatura crește de la 29,36 oC până la 54,82 oC în 3 secunde. După oprirea laserului, temperatura scade la 34,95 oC până la sfârşitul celor 87 de secunde. Linia roşie din imagine, ce reprezintă zona defectului intern se separă după oprirea laserului ceea ce indică momentul exact în care defectul influențează procesul de transfer termic și că acesta devine vizibil în perioada de răcire a eşantionului.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

53

În continuare a fost determinat contrastul termic în funcţie de timp dintre zona cu defect din eşantionul defect şi zona fără defect (fig. 5.20). Se poate observa că în zona cu defect se înregistrează o creştere maximă a temperaturii de 2,7 grade Celsius. Realizarea contrastului a avut la baza următoarea relaţie:

1 2T T T∆ = − (5.4)

unde: T1 este temperatura înregistrată pe perioada determinărilor pentru zona cu defect; T2 este temperatura înregistrată pe perioada determinărilor pentru zona fără defect şi T∆ reprezintă contrastul termic temporal dintre cele doua zone.

Pentru a evidenţia influenţa defectului în eşantionul de HA-Al2O3 a fost creat un profil 3D al imaginii termografice utilizând un soft de tratare a imaginii Image J, unde fiecărei culori care reprezintă o anumită temperatură i s-a atribuit câte un punct în coordonatele spațiale. Profilul este ilustrat în figura 5.21.

Fig. 5.20. Contrastul termic temporal dintre zona cu defect şi fără defect a eşantionului cu defect intern.

Fig. 5.21. Profilul termic 3D al eşantionului cu defect intern.

b) Rezultate ale analizei prin termografie în infraroşu a eşantionului de HA-Al2O3 cu defect de suprafaţă

În această etapă au fost analizate două eşantioane, unul cu defect de suprafaţă şi unul de referință, fără defect. Scopul a fost cel de determinare a influenței defectelor de suprafaţă în procesul de transfer termic prin materialele bioceramice. Proprietăţile şi dimensiunile eşantioanelor şi a defectului de suprafaţă au fost amintite în punctele anterioare. Timpul de excitare termică a fost stabilit la 3 secunde, analiza totală a eşantioanelor fiind de 87 de secunde. În figura 5.22 este prezentat eşantionul cu defect de suprafață înregistrat la o secundă după pornirea laserului.

În figura 5.23 este prezentată evoluţia temperaturii

Fig. 5.22. Imaginea termografică a eşantionului HA-Al2O3 cu defect de

suprafaţă.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

54

în zona cu defect şi zona fără defect în funcţie de timp. Graficul de evoluţie a temperaturii în cele două zone vizate a fost generat utilizând Matlab 2010.

În urma analizei evoluţiei temperaturii în zona fără defect şi în zona cu defect prezentată în figura 5.23, se poate observa o diferenţă considerabilă de contrast între cele două zone. Totodată se poate determina cu exactitate momentul în care defectul iși face apariţia în procesul de transfer termic prin eșantionul de HA-Al2O3.

Fig. 5.23. Evoluţia temperaturii în timp pentru eşantionul cu defect de suprafaţă.

Fig. 5.24. Contrastul termic temporal între cele două zone de interes

În figura 5.24 este prezentat graficul contrastului termic temporal în care se poate vedea diferenţa înregistrată de camera termografică între zona cu defect şi cea fără defect. Rezultă un fenomen invers în comparaţie cu precedentul experiment unde a fost analizat eşantionul cu defect intern. În cazul defectului intern temperatura creşte în zona defectului în raport cu zona sănătoasă în timp ce în cazul defectului de suprafaţă, temperatura scade.

Pentru a putea determina exact influența defectului de suprafaţă a fost realizat un profil termic al temperaturilor pe direcția defectului de suprafață prezentat în figura 5.25. Pentru reprezentarea profilului termic au fost selectate hărți termice ale eşantionului înainte de pornirea laserului cu CO2, în momentul pornirii laserului, la 2 secunde de la pornirea laserului şi la finalul

Fig. 5.25. Imaginea termografică a eşantionului şi

vectorul de temperatură pe direcţia defectului.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

55

timpului de analiză (87 secunde). După selecţia hărților termice au fost realizate profilele termice ilustrate în figura 5.26, a, b şi 5.27, a, b.

a. b.

Fig. 5.26. Profilul termic al eşantionului de HA-Al2O3 prin defectul de suprafaţă: profilul termic iniţial ale eşantionului (a); Profilul termic în momentul impactului fascicolului de laser cu eșantionul(b).

În figura 5.26, a este prezentat profilul termic al eşantionului cu defect intern înainte de excitarea termică cu laserul: temperaturile nu sunt egale pe toată linia profilului acestea variind între 30,3 şi 31,4 oC. După pornirea laserului în figura 5.26b se poate observa o creştere a temperaturilor din vecinătatea defectului de suprafaţă, acesta devenind vizibil între pixelii 82 şi 92. Totodată în urma localizării defectului după excitarea termică, se poate observa că în profilul termic din figura 5.26 a defectul chiar dacă nu este vizibil fără a fi încălzită suprafaţa de interes, din punct de vedere al radiaţiei termice acesta influenţează distribuţia temperaturilor de pe suprafața eşantionului de HA-Al2O3. Acest fenomen poate fi vizibil între pixelii 80 şi 88.

În figura 5.27, a este ilustrat profilul termic al eşantionului pe direcţia defectului la 2 secunde de la pornirea laserului. Se poate sesiza o creştere a temperaturii în zona fără defect până la 54 oC şi o creştere în zona defectului până la aproximativ 41 oC. În acest moment contrastul dintre defectul de suprafaţă și restul eșantionului ajunge la valoarea maximă. În figura 5.27, b este ilustrat profilul termic pe direcţia defectului de suprafaţă la finalul analizei eşantionului de HA-Al2O3. În acest moment are loc o uniformizare a temperaturii de pe suprafaţa eşantionului defectul nemaifiind vizibil.

a) b)

Fig. 5.27. Profilul termic al eşantionului de HA-Al2O3 prin defectul de suprafaţă: profilul termic la 2 secunde după pornirea laserului (a); profilul termic la sfârşitul analizei (87 secunde) (b).

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

56

În figura 5.28 este reprezentat profilul 3D al imaginii termografice pentru eşantionul cu defect de suprafaţă. Se observă în zona defectului o diferenţă de temperatură ce determina vizualizarea acestuia. Zona albastră închis care reprezintă defectul reprezintă valoarea de temperatură mai scăzută în raport cu restul eşantionului, fiecare culoare ocupând un punct în coordonatele spațiale. Profilul 3D din imaginea 5.28 a fost creat în de tratament de imagine Image J.

5.1.4. Analiza materialelor bioceramice prin TIR activă utilizând o sursă electrică tip rezistență electrică

Pentru îndeplinirea obiectivelor stabilite la punctul 5.1.1 a fost necesară dezvoltarea unei instalaţii experimentale formată din următoarele componente:

• Camera termografică FLIR SC 5000, având caracteristice expuse la paragraful anterior; • Suport izolator pentru eşantioane; • Probele de hidroxiapatită (HA) • Trepied cameră termografică; • Sistem central de achiziţie a datelor şi de control al camerei termografice; • Sistem de excitare termică constând într-o rezistență electrică plană; • Sursă de curent programabilă.

Fig. 5.29. Prezentarea instalaţiei experimentale.

Fig. 5.28. Profilul 3D al eşantionului defect de HA-Al2O3.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

57

Pentru analiza termografică a eşantioanelor bioceramice de HA utilizând o sursă de excitare termică electrică, s-a folosit metoda transmisiei. Metoda transmisiei constă în încălzirea eşantioanelor pe o parte a acestora şi înregistrarea imaginilor termografice pe partea opusă cu o cameră termografică. În figura 5.30 este prezentat principiul analizei.

Temperatura se propagă diferit prin eşantionul de HA în zona defectului (fig. 5.30), având la bază fenomenul de conducţie termică și difuzivitatea termică a materialului. În jurul eşantionului şi în spatele rezistentei electrice a fost aplicat un material izolator pentru a izola pereţii laterali ai eşantionului şi a direcţiona uniform fluxul termic. Rezistența este alimentată de o sursă de curent programabilă conectată în acelaşi timp la camera termografică, camera având intrare Lock-In pentru a analiza semnalul electric transmis înspre eşantion.

Sursa de excitare termică a eşantioanelor de HA a constat într-o rezistență electrică plană (fig. 5.31a). Pentru a evita pierderile de căldură ce ar fi apărut în momentul încălzirii a fost necesară izolarea eşantioanelor şi a sursei de căldură. Practic în spatele rezistenței a fost lipit un strat de polistiren având grosimea de 3 cm şi pe partea din față s-a lipit un strat subţire de polistiren având grosimea de 5 mm, suficient de gros pentru a îngloba în acesta eşantionul de HA (fig. 5.31, b).

a. b.

Fig. 5.31. Rezistența electrică folosită pentru încălzirea eşantioanelor de HA (a); sistemul de excitare termică (b).

Fig. 5.30. Principiul metodei de analiză prin termografie în

infraroşu – metoda transmisiei.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

58

Pentru încălzirea eşantioanelor utilizând o rezistență electrică a fost necesară utilizarea unei surse de curent „GW InsteK GPC – 3030D” (fig. 5.32) cu un curent la ieşire de 0 până la 3 A şi un voltaj de 0 până la 30 V.

Aparatul este dotat cu trei canale de ieşire, canalul 1 şi 2 sunt ajustabile iar canalul trei este fixat la 5V/3A, cu pulsaţii şi zgomot mai puţin de 2mVrms.

În funcţie de fluxul termic necesar pentru a încălzi eşantioanele de HA a fost necesară determinarea intensităţii curentului şi a tensiunii electrice necesare pentru încălzirea eşantioanelor; relaţia de baza se poate vedea mai jos (5.5).

[ ]22

W/mSIRQ ⋅

= . (5.5)

unde: Q este fluxul de căldură exprimat în W/m2; R este rezistența circuitului electric exprimată în Ohmi; I reprezintă curentul în A şi S, suprafaţa în m2.

A fost stabilit un flux termic de 500 de W/m2, după care aplicând legea lui Ohm a rezultat o tensiune electrică U = 9.30 V şi o intensitate a curentului electric necesară I= 0.342 A.

Pentru această aplicaţie a termografiei a fost folosită o cameră termografică FLIR SC 5000 ale căror specificaţii tehnice au fost descrise la punctele precedente din acest capitol. O caracteristică importantă a cameri folosită în această parte experimentală a fost posibilitatea conectării semnalului electric generat de sursa de curent oferind astfel informaţii despre perioada și amplitudinea impulsurilor electrice.

Modul de realizare al eşantioanelor de HA a fost descris în debutul capitolului, de data aceasta realizându-se eşantioane din hidroxilapatită fără alumină, având grosimea de 3 mm şi diametrul de 15,3 mm. Au fost fabricate doua tipuri de eşantioane având acelaşi dimensiuni, unul cu defect de suprafaţă simulând astfel o pozozitate mare şi unul omogen, fără defect. Suprafeţele eşantioanelor au fost bine curăţate şi şlefuite încercându-se astfel realizarea unei suprafeţe fără porozităţi sau alte defecte de suprafaţă provenite din procesul de fabricaţie. Defectul are o adâncime de 1 mm şi diametrul de 1,20 mm.

5.1.4.2. Rezultate ale analizei prin TIR a eşantionului de HA cu defect de suprafaţă utilizând o sursă electrică de excitare termică

Cele două eşantioane fabricate au fost încălzite pe rând folosind o sursă de excitare termică descrisă mai sus şi distribuţia temperaturii înregistrată cu o cameră termografică performantă de mare precizie, FLIR SC5000. Eşantioanele au fost încălzite pentru 10 secunde în condiţiile mai sus descrise, după 3.80 secunde fiind posibilă observarea schimbărilor gradientului termic a eşantioanelor cu camera termografică, suficient pentru a detecta zona cu defect. Camera a fost conectată la sursa de curent pentru a stabili amplitudinea semnalului şi perioada acestuia.

Fig. 5.32. Sursa de curent GW InsteK GPC – 3030D.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

59

Dacă T1 = 19,72°C este temperatura iniţială la timpul t = 0 s şi T2 = 20,37°C este temperatura la timpul t = 3,8 s, după pornirea sursei de căldură, la momentul în care defectul devine vizibil, atunci:

C65,021 °=−=∆ TTT . (5.6) În figura fig. 5.34 a fost studiată evoluţia temperaturii medii de pe suprafaţa eşantionului

pe tot parcursul determinărilor, în perioada de încălzire şi în perioada de răcire. Se poate observa o creştere şi o revenire a temperaturii liniară pe suprafaţa eşantionului de HA.

Fig. 5.34. Evoluţia temperaturii medii pe suprafaţa eşantionului în raport cu timpul analizei.

În figura 5.35 este prezentată imaginea termografică la t = 3,8 secunde de la pornirea sursei de excitare termică. Se poate observa foarte clar apariţia unei diferenţe de temperatură care reprezintă defectul creat pe suprafaţa eşantionului.

Influența defectului din punct de vedere al transferului termic prin eşantionul de HA se poate expune prin generarea unui profil termic în funcţie de numărul de valori de temperatură de pe suprafață (pixeli) înregistrate de camera termografică pe direcţia

defectului. Profilul a fost realizat la 3,8 secunde de la pornirea sursei de căldură în varianta fără defect (fig. 5.36, a) şi în varianta cu defect pe direcţia acestuia (fig. 5.36, b).

În figura 5.36 se observă cum defectul joacă un rol important în procesul de transfer termic. Schimbarea distribuţiei de temperatură este determinată de influenţa defectului, în zona cu defect de pe suprafaţa eşantionului grosimea eşantionului scade de la 3 mm la 2 mm. Fiind o metodă de transmisie, încălzirea făcându-se din spate către faţa eşantionului prin conducţie termică, temperatura în zona defectului creste, după cum se poate observa în fig.5.36, b.

Fig. 5.35. Imaginea termografică a eşantionului

defect la 3,8 s după pornirea sursei de excitare termică.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

60

a. b.

Fig. 5.36. Profilul termic pe direcţia defectului. profilul termic al eşantionului fără defect (a); profilul termic al eşantionului cu defect (b).

Pentru a evidenţia zona defectului a fost realizat un profil 3D ilustrat în figura 5.37 al eşantionului defect la 3,8 secunde de la pornirea sursei de excitare termică.

Din imaginile termografice putem analiza defectul de suprafaţă şi momentul în care acesta devine vizibil dar, cu exactitate momentul în care defectul începe să modifice câmpul de temperatură de multe ori nu este vizibil pe camera termografică. De aceea a fost necesară realizarea unei evoluţii a temperaturii în zona cu defect şi în zona fără defect raportându-ne la amândouă eşantioanele (cu defect şi fără defect). În figurile 5.38, a și b este ilustrat graficul de evoluţie a temperaturii în funcţie de timpul de analiză pe cele doua eşantioane de HA.

a) b)

Fig. 5.38. Evoluţia temperaturii în funcţie de timpul de analiză în zona defectă (linie roşie) şi în zona fără defect (linia verde) a eşantionului fără defect(a); evoluţia temperaturii în funcţie de timpul de analiză în zona defectului (linie roşie) şi în zona fără defect (linia verde) a eşantionului cu defect (b).

Fig. 5.37. Profilul 3D al eşantionului defect t = 3,8 s.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

61

În figura 5.38, a se poate observa evoluţia temperaturii în funcţie de timp în zona fără defect şi în zona cu defect. Cele doua curbe ale graficului sunt apropiate că valori nesemnalând prezența unei influente termice considerabile.

Fig. 5.39. Evoluţia temperaturii în funcţie de timpul de analiză în zona defectului şi semnalul electric

înregistrat de camera termografică.

Pentru a detecta exact momentul în care temperatura se modifică în zona defectului de la pornirea sursei electrice de încălzire a fost necesară analiza evoluţiei de temperatură în timp. (fig. 5.39).

Analizând figura de mai sus se poate observa că excitarea termică începe după 11 secunde de la pornirea camerei termografice şi se încheie după 10 secunde. În imaginile termografice defectul a fost vizibil la 3,8 secunde de la pornirea sursei, iar dacă analizăm evoluţia temperaturii se poate observa în figura 5.37 că temperatura începe să se modifice în zona defectului la 2,2 secunde de la pornirea sursei de căldură.

Diferenţa de temperatură între zona cu defect şi zona sănătoasă în timp a fost posibilă prin realizarea unui contrast termic temporal reprezentat în figura 5.40.

Fig. 5.40. Contrastul termic temporal dintre zona cu defect şi cea sănatoasă.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

62

5.1.5 Analiza materialelor bioceramice cu TIR activă prin impulsuri

Acest subcapitol iși propune detectarea defectelor din materialele bioceramice utilizând termografia în infraroşu prin impulsuri. Pentru aceasta a fost necesară stabilirea echipamentelor, realizarea unor defecte controlate, alegerea unei surse capabile să producă diferenţe termice detectabile de camera termografică, utilizarea unei camere termografice performante cu o sensibilitate mare și construirea unui generator de impulsuri pentru controlul sursei de excitare termică.

Instalaţia experimentală este ilustrată în figura următoare (fig. 5.41) şi este compusă din următoarele echipamente:

• Cameră termografică FLIR „ThermaCam S45”; • Suport izolator pentru eşantioanele de probă; • Trepied cameră termografică; • Sistem central de achiziţie a datelor şi de control al camerei; • Sistem de excitare termică constând în două lămpi fotografice cu halogen „Kaiser

Videolight 6”; • Generator de impulsuri.

În figura următoare este ilustrată instalaţia experimentală utilizată la analiza termografică a eşantioanelor biocermice de HA-Al2O3.

Fig. 5.41. Prezentarea instalaţiei experimentale. Fig. 5.42. Camera termografică FLIR ThermaCam S45.

Inregistrarea cadrelor a fost efectuata cu o cameră termografică de mare precizie manufacturată de către FLIR Systems, modelul ThermaCam S45, prezentată în figura 5.42.

Camera are o rezoluţie de 320x240 pixeli, opţiune de focus automat şi manual, cu un interval de măsurare al temperaturii cuprins între – 40oC şi 2000oC şi o precizie de ±2oC. Măsurătorile cele mai precise se obţin într-un mediu cu o temperatură între -15oC și 50 oC, o umiditate între 10%-15% şi la vibraţii de maxim 2G.

Camera oferă posibilitatea controlului, analizei şi înregistrării imaginilor prin interfaţa PC şi softul de specialitate dedicat, „ThermaCam Researcher Pro” dezvoltat de producătorul camerei, FLIR Systems.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

63

Pentru acest experiment s-a selectat metoda de analiză nedistructivă a materialelor bioceramice prin termografie în infraroşu activă prin bombardarea suprafeţei cu impulsuri termice. Pentru realizarea experimentului în condiţii optime şi pentru obţinerea unor rezultate concludente a fost necesară crearea unui generator de impulsuri şi conectarea la acesta a două lămpi fotografice cu halogen având o putere de 1000 W fiecare.

Lămpile fotografice Kaiser Videolight 6 (fig. 5.43) sunt lămpi cu bec halogen de 1000 W cu sistem de răcire (ventilator) utilizate în mod normal în scop video. Totodată lămpile dispun de un sistem de siguranţă în caz de supraîncălzire constând într-un termostat. Pentru direcţionarea impulsurilor termice s-au folosit 4 volţi (barndoor). Pentru controlul lămpilor Flash s-a folosit un generator de impulsuri constând într-un microcontroler ce comandă un releu de 12 volţi cu posibilitatea reglării frecvenței impulsurilor, transmiţând semnalele electrice unui releu de 220 V ce este conectat la lămpile Flash cu halogen.

Fig. 5.43. Lămpile cu halogen pentru excitare termică Kaiser Videolight 6.

Frecvența maximă a generatorului de impulsuri este de 6 Hz. În figura 5.44 este prezentat generatorul de impulsuri, iar în figura 5.45 este prezentată forma semnalului înregistrat cu ajutorul unui osciloscop Agilent Technologies.

Fig. 5.44. Generatorul de impulsuri.

Făcând o comparaţie între camera FLIR S5000 care avea posibilitatea concentrării semnalului electric şi înregistrarea acestuia, camera termografică FLIR ThermaCam S45 nu are aceasta opţiune de aceea a fost folosit un osciloscop pentru stabilirea frecvenței, a perioadei şi amplitudinii.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

64

Pentru acest experiment au fost folosite eşantioane realizate dintr-un material bifazic compus din hidroxilapatită (HA) dopata cu alumină (Al2O3). Au fost realizate eşantioane având defecte interne de diferite dimensiuni, de 0,5 mm până la 1 mm şi un eşantion fără defect de referință pentru realizarea contrastului termic. În figura următoare sunt prezentate caracteristicele geometrice ale eşantionului şi defectului intern având diametrul de 1 mm.

Fig. 5.46. Schiţa eşantionului cu defectintern.

5.1.5.2. Rezultate ale analizei utilizând TIR activă prin impulsuri aplicată în analiza eșantioanelor de HA-Al2O3

Pentru detectarea defec-telor în materialele bioceramice prin TIR cu impulsuri utilizând lămpi cu halogen pentru excitare termică, a fost adoptata metoda reflexiei. Camera a fost poziţionată cu ajutorul unui trepied pe direcţia normală a eşantionului, la o distanţă de 40 cm de acesta şi la o înălţime de la sol de 97,5 cm. Lămpile fotografice au fost poziţionate pe aceeaşi parte a eşantionului formând un unghi cu normala de 31 o şi la o distanţă faţă de eşantion de 47 cm. Schema instalaţiei experimentale este ilustrată în figura 5.47.

Au fost studiate 3 tipuri de defecte, două defecte interne cu acoperiri diferite și un defect de suprafață. Metoda de realizare a defectelor în acest caz a rămas neschimbată procedându-se ca la determinările anterioare. Prin fabricarea celui de-al doilea defect s-a dorit studiul comportamentului termic în cazul excitarii termice cu lampi fotografice cu halogen, a defectelor

Fig. 5.47. Schema instalaţiei experimentale.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

65

cât mai apropiate de suprafață, între un defect pozitionat în centrul eșantionului și unul de suprafață.

Fiecare eșantion din HA-Al2O3 a fost bombardat cu impulsuri termice produse de generatorul de impulsuri împreună cu lampile cu halogen. În vederea detectării câmpului de temperatură al eșantioanelor și detectarea defectului s-au utilizat diferite frecvențe ale impulsurilor, de la 0,5Hz, 1Hz, 3Hz până la 6Hz.

A. Rezultate ale analizei prin TIR a eşantionului de HA-Al2O3 la o frecvență de 3 Hz

A.1. Rezultate privind detectarea defectului intern, având o acoperire 1,5 mm

În acest caz a fost realizat un eșantion și indus în acesta un defect intern având diametrul de 1 mm și adancimea de 11 mm. Distanța dintre suprafața analizată a eșantionului și defect (acoperirea) este egală cu 1,5 mm. Eșantionul de HA-Al2O3 a fost supus impulsurilor termice pentru 40 de secunde cu un timp de observare înainte de pornirea sursei de 4 secunde, și cu un timp de analiză pe zona de răcire de 20 de secunde. Înregistrarea imaginilor a fost posibilă cu ajutorul camerei termografice din dotare, FLIR ThermaCam S45, iar pentru analiza imaginilor și controlul camerei a fost folosit un program specializat pentru aplicatii termografice, FLIR ThermaCam Researcher Pro 2.1. Camera termografică a fost setată la o viteză de înregistrare a cadrelor de 1Hz. În figura 5.48 sunt prezentate hărti termice la intervale diferite de timp, temperatura inițială, după 3 secunde de la pornirea sursei, după 9 secunde de la pornirea sursei și după 16 secunde, când defectul este perfect vizibil.

În imaginile prezentate în figura 5.48 se poate vedea distribuția termică de pe suprafața eșantioanelor de HA-Al2O3. În prima imagine nu se poate observa decât forma și distribuția termică a eșantionului aflat în mediul ambiental, la temperatura din laborator, defectul nu este vizibil în acest caz. În imaginea următoare se observă o modificare a distribuției termice de pe suprafața eșantionului însă, aceasta nu este suficientă pentru a influența termic zona în care se află defectul intern. În imaginea 5.48c, după 9 secunde de la pornirea sursei, se poate deja observa clar defectul intern. Din cauza golului de aer oclus, în momentul bombardării suprafeței cu impulsuri termice acesta influențează transferul termic. Se poate vedea că temperatura din zona defectului este mai ridicată, acest lucru fiind determinat de micșorarea secșiunii și a coeficienților diferiși de conductivitate termic în acea zonă. În imaginea 5.48d, dupa 16 secunde de la pornirea sursei, a fost înregistrat momentul în care defectul devine perfect vizibil, contrastul dintre zona sanatoasă a eșantionului și defect fiind maxim.

a. b.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

66

c. d.

Fig. 5.48. Imaginile termografice ale eșantionului cu defect intern în diferite etape ale ecitarii termice: la momentul t = 0 s (a); t = 3 s (b); t = 9 s (c); t = 16 s (d).

Nefiind suficientă doar vizualizarea distribuției termice pe suprafața eșantioanelor s-a efectuat analiză a evoluției temperaturii în timp vizând zona cu defect a eșantionului ținând cont de imaginile de mai sus și zona fără defect. În figura următoare este prezentat graficul temperaturilor în cele două zone.

Fig. 5.49. Evolutia temperaturii în zona defectului și în zona fără defect.

În imaginea 5.49 este ilustrată evoluția temperaturii în timp în zona defectului și în zona fără defect. Diferența maximă se inregistrează în jurul momentului t = 20 s, adică dupa 16 secunde de la pornirea sursei, moment în care și defectul este perfect vizibil reprezentat în figura 5.48.c. Pentru a putea analiza diferența dintre cele două zone distribuită în timp a fost nevoie să se realizeze un contrast termic temporal (fig. 5.50). În figura 5.51 se observă cum în zona defectului are loc o creștere a temperaturii în raport cu zonele din jurul acestuia, indicând clar prezența unui defect în eșantionul de HA-Al2O3.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

67

Fig. 5.50. Contrastul termic temporal dintre zona defectului și cea fără defect pe parcursul analizei.

Fig. 5.51. Profilul termic de suprafață pe direcția defectului intern.

A.2. Rezultate privind detectarea defectului de suprafață din eșantionul de HA-Al2O3

a. b.

c. d.

Fig. 5.52. Imaginile termografice ale eșantionului cu defect de suprafață în diferite etape ale excitării termice: la momentul t = 0 s (a); t = 3 s (b); t = 9 s (c); t = 16 s (d).

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

68

Fig. 5.53. Evolutia temperaturii în zona defectului și în zona fără defect.

Fig. 5.54. Contrastul termic temporal dintre zona cu defect și cea fără defect pe parcursul analizei.

Fig. 5.55. Profilul termic de suprafață pe direcția defectului de suprafață.

A.3. Rezultate privind detectarea defectului intern având o acoperire 0,3 mm

a. b.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

69

c. d.

Fig. 5.56. Imaginile termografice ale eșantionului cu defect de suprafață în diferite etape ale excitării termice: la momentul t = 0 s (a); t = 3 s (b); t = 9 s (c); t = 16 s (d).

Fig. 5.57. Evoluția temperaturii în zona defectului și în zona fără defect.

Fig. 5.58. Contrastul termic temporal dintre zona cu defect și cea fără defect pe parcursul analizei.

5.2. PROIECTAREA EXPERIMENTULUI PENTRU ANALIZA PRIN TIR ACTIVĂ A SISTEMELOR FOLOSITE ÎN CONSTRUCȚII

Proiectarea experimentului de analiză sistemelor folosite în construcții a presupus în primul rând o bună cunoaştere a structurilor, aplicabilităţii şi a comportamentului termic al acestora. Totodată au trebuit studiate fenomenele termice ce guvernează metodele de analiză prin termografie în infraroşu şi o bună cunoaştere a limitelor acestora. O preocupare deosebită a constat în conceperea unei instalatii experimentale utilizând echipamente moderne cât mai performante în vederea obținerii rezultatelor dorite și unor rezultate cu erori cât mai reduse.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

70

5.2.1 Stabilirea obiectivelor experimentelor Pe baza unei atente documentari privind stadiul actual al testării materialelor prin

termografie în infraroău, în special a materialelor de construcții au rezultat o serie de obiective pe baza carora s-a conturat mai departe partea experimentală a lucrării. Obiectivele importante în vederea analizei sistemelor folosite în construcții prin TIR sunt:

• Aplicarea unor metode de testare prin TIR activă vizând același material sau materiale diferite;

• Depistarea defectelor de suprafață, crăpăturilor, defectelor interne, materialelor inglobate; • Testarea mai multor surse de excitare termică; • Selectarea atentă a metodelor din punct de vedere al vitezei determinărilor, calității

rezultatelor și a timpilor de compilare necesari; • Controlul defectelor induse în eșantioane și a materialelor înglobate în acestea; • Aplicarea unor metode ce să nu pună în pericol integritatea personalului; • Realizarea unor programe ce să ușureze interpretarea rezultatelor obținute; • Posibilitatea dezvoltării metodelor și pe alte tipuri de materiale și sisteme utilizate în

construcții. Odată stabilite obiectivele părţii experimentale s-a putut trece la următoarele etape, şi anume:

- proiectarea instalaţiei experimentale; - stabilirea condiţiilor optime de realizare a experimentelor cu privire la mediul

ambiental, amplasarea echipamentelor în raport cu eşantionul de probă, încadrarea în obiectiv a caracteristicelor echipamentelor, etc.;

- Realizarea propriu-zisă a experimentului.

5.2.2 Alegerea metodelor de analiză prin TIR a sistemelor din construcții Alegerea metodelor de analiză termografică a materialelor și sistemelor folosite în

construcții a avut ca bază un studiu amanunțit al proprietăților materialelor și al fenomenelor ce stau la baza transferului termic în ideea detectării diferitelor anomalii. Totodată s-a avut în vedere limitările echipamentelor de testare de așa manieră încât să furnizeze rezultate corecte și să nu fie pusă în pericol integrirtatea acestora. Metodele de termografie în infraroșu și sistemele alese au fost urmatoarele:

• Analiza betonului prin termografie în infraroșu activă prin excitare termică cu microunde în vederea detectării armăturii din oțel inglobată în beton;

• Analiza transferului termic și a distribuției de temperatură la plăci din beton armate utilizând concomitent termografia activă și un sistem de senzori de temperatură;

• Detectarea defectelor în materialele de construcții, determinări realizate pe plăci de gips -carton prin termografie în infraroșu activă cu o sursă de excitare termică electrică;

• Analiza cordoanelor de sudură în vederea detectării defectelor (fisuri, microfisuri, discontinuități) folosind inducția electromagnetică și TIR în paralel.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

71

5.2.3 Analiza betonului armat prin termografie în infraroșu activă în vederea detectării armăturii de oțel utilizând un generator de microunde

Pentru realizarea experimentului a fost necesară determinarea parametrilor necesari, realizarea eșantioanelor din beton armat și alegerea echipamantului potrivit. Instalația experimentală este prezentată în figura urmatoare și cuprinde urmatoarele echipamente:

• Cameră termografică FLIR SC 5000; • Generator de microunde; • Antenă pentru direcționarea microundelor către probele din beton; • Delimitarea și protecția zonei de testare împotriva scurgerilor de microunde; • Suport pentru eșantioanele de probă din beton; • Sistem central de achizitie și de control al camerei termografice; • Detector pentru depistarea scurgerilor de micounde; • Trepied pentru camera termografică; • Eșantioane din beton armat cu bare de armatură și din beton simplu.

Fig. 5.81. Prezentarea instalaţiei experimentale utilizate.

Pentru aceast experiment a fost folosită o cameră termografică FLIR SC 5000 ale caror caracteristici sunt explicate la punctul anterior (5.1.3.1.3).

Generatorul de microunde (fig. 5.82) a fost realizat având la bază un magnetron cu o putere maximă de 800 W și o frecvență de 2.45 GHz. Practic a fost folosit un magnetron obișnuit de la un cuptor cu microunde casnic.

Fig. 5.82. Generatorul de microunde.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

72

Pentru a încălzi eșantionul din beton armat a fost necesară utilizarea unei antene de directionare a energiei electromagnetice catre obiectul de analizat. O antenă are capacitateatea de a emite radiatii electromagnetice în mediul de propagare, pentru a direcționa energia electromagnetică provenită de la generatorul de micounde s-a ales o cameră sub forma trapezoidală (fig. 5.83) [SamAng2013a].

a) b)

Fig. 5.64. Antena de transmisie a microundelor folosită pentru excitarea termică a eșantioanelor de beton: cotele gabaritive ale antenei generatorului (a); interiorul (b).

5.2.3.2. Rezultate

În acest caz au fost fabricate două eșantioane de beton, un eșantion de beton armat cu bare din oțel pozitionate pe o singură direcție, având diametrul de 12 mm și o distanță între ele de 100 mm. Barele de armatură utilizate sunt bare obișnuite folosite la armarea elementelor din beton din componența unei structuri a unei cladiri. Acoperirea de beton a armaturii a fost de 15 mm pe o parte a eșantionului și de 38 mm pe cealaltă parte, însumând cu armătura o grosime totală a plăcii de beton de 65 mm.

Scopul determinărilor pentru acest experiment a fost cel de detectare a barelor din oțel înglobate în plăcile din beton, prin excitare termică cu microunde și inspecție prin TIR. După ce s-au stabilit materialele și echipamentele necesare, s-a trecut la stabilirea parametrilor de testare.

Timpul analizei a fost setat de așa natură încât încălzirea sa fie suficient de lungă și răcirea la fel pentru a urmarii toate etapele de analiză în vederea vizulizării armăturii. Timpul total a fost stabilit la 500 de secunde la o frecvență de înregistrare a camerei termografice de 5Hz.

În prima fază s-a dorit înregistrarea distribuției temperaturii pe suprafața eșantionului menținut în mediul ambiental la temperatura din laborator (10 secunde). După primele 10 secunde generatorul se porneste și placa este excitată termic 300 de secunde. Restul timpului (190 secunde) se continuă înregistrarea imaginilor termografice pe perioada de răcire a eșantionului.

Nimag= f · t= 5 · 500= 2500 imagini.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

73

În vederea stabilirii metodei optime de analiză au fost realizate determinări sub diferite unghiuri de amplasare a antenei, generatorului și a camerei, rezultând trei cazuri prezentate mai jos.

Cazul I – Camera pozitionată pe direcția normalei din centrul plăcii de beton și antena generatorului de microunde la un unghi de 65o față de normala eșantionului de beton

În figura 5.85 este ilustrată schema de principiu de analiză prin termografie activă cu microunde a eșantionului din beton armat.

Fig. 5.85. Schema de principiu pentru analiza prin TIR activă cu microunde a eșantionului din beton.

Metoda de analiză în acest caz a fost metoda transmisiei, eșantionul din beton fiind amplasat între sursa de excitare termică (generatorul de microunde) și camera termografică. Practic, eșantionul este bombardat cu unde termice generate de energia transmisa de generatorul de microunde, camera înregistrând distribuția termică de pe suprafața eșantionului. În figura 5.66 este prezentată schematic analiza eșantionului prin metoda transmisiei.

Excitarea termică a eșantionului din beton armat a durat 5 minute, timp în care au fost înregistrate imagini cu ajutorul camerei termografice la un interval de 0,2 secunde (5Hz). Analizând imaginile înregistrate de cameră s-a constatat că, contrastul maxim între beton și armătură este înregistrat după 290 de secunde de la pornirea generatorului de microunde. În figura 5.87. sunt prezentate etapele principale de încălzire, începând de la temperatura inițială până la înregistrarea contrastului maxim. Controlul camerei și vizualizarea imaginilor au fost realizate cu ajutorul softului dedicat acestui tip de

Fig. 5.86. Schema analizei termografice a eșantionului prin metoda transmisiei în cazul I.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

74

aplicații, ALTAIR. Aceleasi etape au fost înregistrate pentru toate cazurile de analiză prezentate la punctele următoare, în vederea comparării rezultatelor în funcție de unghiul de poziționare al generatorului și antenei.

a. Imaginea termografică a plăcii t = 0 s b. Imaginea termografică a plăcii t = 40 s

c. Imaginea termografică a plăcii t = 190 s d. Imaginea termografică a plăcii t = 290 s

Fig. 5.87. Distribuția temperaturii pe suprafața eșantionului în diferite etape de excitare termică.

În imaginea 5.88 a fost construit graficul de evoluție a temperaturii, un punct termic ce îi revine armăturii din beton și un punct ce îi revine zonei de beton unde nu este prezentă armătura de oțel. Temperatura a fost analizată în funcție de timpul total de excitare termică și de răcire a eșantionului din beton armat.

În figura 5.88 se poate observa cum diferența de temperatură dintre eșantionul din beton și armătură devine vizibilă încă din debutul excitării termice cu generatorul de microunde, înregistrandu-se o diferență maximă între cele două puncte de 0,3 oC.

Pentru a evidenția diferența de temperatură dintre evoluția temperaturii în dreptul armăturii și evoluția temperaturii eșantionului de beton a fost necesară determinarea unui profil termic de suprafață ilustrat în imaginea 5.89. În fig. 5.89 se observă

Fig. 5.88. Evolutia temperaturii dreptul armăturii (roșu) și din dreptul zonei fără

armătură (albastru).

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

75

o creștere în amplitudine a liniei profilului, funcție de numarul de pixeli de pe direcția analizată. în imagine sunt notate valorile ce indică prezența armăturii de oțel în zona în care sunt cel mai bine vizibile. Pentru o mai ușoară interpretare a profilului termic de mai sus, pe baza imaginii înregistrate de cameră a fost realizat un profil termic 3D. Profilul a fost realizat folosindu-ne de fizica culorii, fiecare nuanță fiind determinată de pozitia ei spațială. Axa X și Y a graficului reprezintă rezoluția camerei termografice 320x240, iar temperatura determinată de o anumita nuanță de culoare reprezintă axa Z.

Fig. 5.89. Profilul termic al plăcii de beton după 290 s de la pornirea generatorului de microunde.

În figura 5.90 este prezentat profil termic al plăcii de beton înregistrat la timpul t=290 de secunde, contrastul între beton și armătură este maxim.

Cazul II – Camera poziționată pe direcția normalei din centrul plăcii de beton și antena generatorului de microunde la un unghi de 45o față de normala eșantionului de beton

Fig. 5.90. Profilul 3D al temperaturilor înregistrate de camera termografică pe suprafața eșantionului.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

76

Fig. 5.92. Schema analizei termografice a eșantionului prin metoda transmisiei în cazul II.

a. Imaginea termografică a plăcii t = 0 s b. Imaginea termografică a plăcii t = 40 s

c. Imaginea termografică a plăcii t = 190 s d. Imaginea termografică a plăcii t = 290 s

Fig. 5.93. Distribuția temperaturii pe suprafața eșantionului în diferite etape de excitare termică.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

77

Fig. 5.94. Evoluția temperaturii în dreptul armăturii (roșu) și din dreptul zonei fără armătură (albastru)

Fig. 5.95. Profilul termic al plăcii de beton după 290 de secunde de la pornirea generatorului de

microunde

Fig. 5.97. Profilul 3D al temperaturilor înregistrate de camera termografică pe suprafața eșantionului

0.5oC

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

78

Cazul III – Camera poziționată pe direcția normalei din centrul plăcii de beton și antena generatorului de microunde pe direcția normală

Fig. 5.98. Schema analizei termografice a eșantionului prin metoda transmisiei în cazul III.

a. Imaginea termografică a plăcii t = 0 s b. Imaginea termografică a plăcii t = 40 s

c. Imaginea termografică a plăcii t = 190 s d. Imaginea termografică a plăcii t = 290 s

Fig. 5.99. Distribuția temperaturii pe suprafața eșantionului în diferite etape de excitare termică.

Fig. 5.100. Evolutia temperaturii dreptul armăturii (roșu) și din dreptul zonei fără armătură (albastru).

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

79

Fig. 5.101. Profilul termic al plăcii de beton după 290 de secunde de la pornirea generatorului.

Fig. 5.102. Histograma imaginii termografice

înregistrate de cameră Fig. 5.103. Profilul 3D al temperaturilor înregistrate de camera termografică pe

suprafața eșantionului

5.2.5 Analiza transferului termic și a distribuției de temperatură la plăci din beton armat utilizând TIR activă și un sistem de senzori de temperatură

Pentru acest experiment s-a realizat un eşantion din beton, armat la mijloc cu bare de oţel calitatea OB37, dispuse sub forma unei reţele de ochiuri pătratice de 10 cm (fig. 5.104).

Fig. 5.104. Eşantionul din beton armat.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

80

Pentru excitarea termică a eşantionului din beton armat s-a utilizat o sursă de căldură având o putere de 2000 W. Pentru a putea susţine eşantionul pe perioada determinărilor s-a realizat un cadru din ţeavă de oţel rectangulară de 15x15 mm.

Pentru a evita pierderile de căldură pe conturul instalaţiei s-a optat la închiderea acesteia pe contur cu cărămidă refractară. Datorită formei circulare şi a dimensiunilor sursei de căldură s-a realizat şi ulterior montat între sursă şi eşantionul din beton o placă din oţel de 370x370x10 mm, pentru uniformizarea distribuţiei de temperatură. În figura 5.105 este prezentat montajul fizic utilizat pentru excitarea termică a eşantionului din beton armat.

Fig. 5.105. Instalaţia de încălzire şi de fixare a eşantionului din beton armat.

Pentru această lucrare [Dragan2013b] s-au utilizat în paralel o cameră termografică şi o matrice de senzori de temperatură formată din 26 senzori amplasaţi pe suprafaţa eşantionului, 13 senzori la partea inferioară şi ceilalţi 13 senzori fixați pe partea superioară a plăcii. Repartizarea senzorilor de temperatură este prezentată în figura 5.105. Pentru citirea valorilor înregistrate de senzorii de temperatură s-a utilizat o placă de dezvoltare ARDUINO ce lucrează cu un microcontroler Atmel 328P, iar programarea, vizualizarea şi înregistrarea datelor s-a realizat folosind un program dezvoltat de noi, în limbajul corespunzător plăcii de dezvoltare.

a. Pe suprafaţa exterioară a eşantionului b. Pe suprafaţa interioară.

Fig. 5.106. Schema de amplasare a senzorilor de temperatură.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

81

Pentru monitorizarea temperaturii şi a umidităţii mediului ambiental pe timpul determinărilor s-a montat un senzor de temperatură şi umiditate în laborator. Perioada de excitare termică a eşantionului a fost stabilită la 60 de minute iar intervalul de înregistrare al senzorilor de temperatură şi al camerei de termografie a fost setat la 60 de secunde. Măsurătorile au avut în vedere preluarea simultană de date de la senzori şi imagini. A fost luată în calcul temperatura ambientală, după care s-a pornit sursa de căldură, înregistrările fiind făcute la intervale de timp optimizate în urma testelor.

5.2.5.3 Rezultate

Temperaturile de pe cele două suprafeţe ale eşantionului, suprafaţa inferioară şi suprafaţa superioară au fost înregistrate de matricea de senzori de temperatură. S-a urmărit evoluţia temperaturii în timp şi diferenţa dintre cele două valori de temperatură înregistrate de senzori şi de camera FLIR BCAM SD. Acest lucru a fost posibil realizând un algoritm numeric în programul Matlab 2010.

a. Superioară; b. inferioară

Fig. 5.108. Evoluţia temperaturilor pe suprafaţa eşantionului înregistrate de matricea de senzori.

În figura 5.108 se poate observa evoluţia temperaturilor pe cele două suprafeţe ale eşantionului, suprafaţa superioară (vizată de camera termografică) şi inferioară (suprafaţa încălzită de sursa de căldură). Analizând cele două figuri se poate observa că temperaturile de pe suprafaţa inferioară au o creştere mai rapidă şi mai mare de temperatură, în timp ce temperaturile de pe suprafaţa superioară au o creştere mai lentă şi mai mică de temperatură. Considerăm acest lucru ca fiind datorat faptului că cele două suprafeţe sunt despărţite de eşantionul de beton armat cu grosimea de 50 de mm şi este punctul de plecare pentru calculul coeficienţilor de conductibilitate termică.

extint TTΔT −= , (5.8)

unde: ∆T – diferenţa de temperatură între suprafaţa inferioară şi cea superioară [oC]; Tint temperaturile înregistrate pe suprafaţa inferioară a eşantionului de senzorii de temperatură [oC]; Text temperaturile înregistrate pe suprafaţa superioară de matricea de senzori pe aceeaşi axa cu senzorii de pe suprafaţa inferioară a eşantionului [oC].

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

82

Diferenţa de temperaturi între valorile înregistrate de matricea de senzori între cele două suprafeţe ale eşantionului sunt prezentate în figura 5.109. Putem concluziona că, la grosimea de 50 de mm dintre cele două suprafeţe ale eşantionului din beton, într-un interval de 60 de minute este absorbită, aproximativ 50% din cantitatea de căldură.

Pe timpul determinărilor folosind matricea de senzori, suprafaţa exterioară a eşantionului a fost vizată cu camera termografică şi au fost înregistrate hărţile termice la un interval între imagini, de 60 de secunde, timp de 60 de minute. Imaginile înregistrate de camera termografică au fost înregistrate folosind programul specializat ThermalCAM QuickReport 1.2, iar interpretarea

rezultatelor s-a făcut utilizând un program scris de noi în limbajul Matlab 2010, imaginile fiind transformate în matrice numerice distribuite în timp. În figurile 5.110 şi 5.111 sunt prezentate hărţile termice iniţială şi după 35 de minute de la pornirea sursei de căldură, precum şi profilul termic rezultat în urma prelucrării cu programul scris în Matlab 2010, pentru linia termică indicată în figuri.

a. b.

Fig. 5.110. Harta termică inițială a eșantionului (a); profilul termic inițial pe linia „L1” (b).

a. b.

Fig. 5.111. Harta termică a eșantionului după 35 de minute de la pornirea sursei de căldură (a); profilul termic după 35 de minute pe linia „L2” (b).

Fig. 5.109. Diferenţa de temperaturi între valorile înregistrate de matricea de senzori

între cele două suprafeţe ale eşantionului (ΔT).

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

83

În figura 5.112 este prezentată diferenţa de temperatură între temperatura înregistrată înainte de pornirea sursei de căldură şi temperatura înregistrată după 35 de minute de la pornirea sursei de căldură, ca urmare a prelucrării în Matlab 2010 a profilului termic pentru cele două imagini.

Pentru evidenţierea distribuţiei termice pe suprafaţa eşantionului din beton armat imaginile termografice au fost prelucrate într-un program de prelucrare imagini, ImageJ. Utilizând conversia termică în culori convenţionale, fiecare nuanţă de pe imagine ocupă un punct pe sistemul de coordonate 3D. În figura 5.113 este prezentat profilul 3D al imaginii termografice după 35 de minute de la pornirea sursei de căldură. Profilul a fost de asemenea calculat în Matlab 2010, datele fiind apoi importate pentru a realiza profilul 3D în programul ImageJ.

5.2.6 Inspecția cordoanelor de sudură în construcții în vederea detectării defectelor prin termografie în infraroșu cu inducție electromagnetică

Această parte experimentală a avut drept scop detectarea defectelor în îmbinări sudate prin termografie activă folosind ca sursă de excitare termică inducția electromagnetică și o eventuală aplicabilitate ulterioară în controlul nedistructiv al elementelor de structuri metalice sudate folosite în construcții. Acest procedeu constă în utilizarea unei bobine de inducție ce creează curenți turbionari asupra unui material conductiv, în general metalic.

Curenții turbionari au rolul de a genera încălzire rezistivă ce este monitorizată cu ajutorul unei camere termografice. În urma acestui tip de excitare termică fisurile din eșantion se încălzesc mai mult decât restul de material omogen datorită unei densități sporite de curenți turbionari la nivel local. În figura 5.114 este reprezentat principiul de bază al metodei.

Pentru realizarea experimentului a fost necesară conceperea unei instalații experimentale și realizarea unor epruvete cu defecte de sudură induse și epruvete fără defect.

Fig. 5.112. Diferenţa de temperatură dintre cele două profile termice (L2-L1).

Fig. 5.113. Profilul 3D al imaginii termografice după 35 de minute de la pornirea sursei de căldură.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

84

Fig. 5.114. Principiul de bază al detectării fisurilor prin termografie în infraroșu activă cu inducție.

Instalația experimentală este ilustrată în figura 5.115 și cuprinde următoarele echipamente: • Cameră termografică FLIR „ThermaCam S45”; • Instalația de încălzire a eșantioanelor prin inducție; • Sistem central de achiziție și de control al camerei termografice; • Trepied pentru camera termografică; • Eșantioanele de probă;

Fig. 5.115. Prezentarea instalaţiei experimentale utilizate.

Pentru acest experiment a fost folosită o camera termografică FLIR „ThermaCam S45” ale căror caracteristici sunt explicate la punctul anterior (5.1.5.1).

Pentru excitarea termică a eșantioanelor în vederea detectării fisurilor și microfisurilor prezente în cordoanele de sudură a fost folosită o plită de gătit la care s-au făcut modificări de așa manieră încât să fie pusă în valoare direct bobina din interiorul acesteia. Bobina lucrează la o frecvența mare de 50 de kHz dată de generatorul plitei, iar puterea este de 2000 de Watt. Totodată de la plită a fost folosit și programatorul de funcții

Fig. 5.116. Instalația de încălzire a eșantioanelor prin inducție.

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

85

pentru un control mai precis al puterii și al timpului de excitare termică a eșantioanelor. În figura 5.116 este prezentată instalația de încălzire prin inducție a eșantioanelor de probă.

Experimentele au fost realizate pe eșantioane din oțel S235jr, constând într-o țeavă rectangulară având dimensiunile de 30x60x130 mm cu grosimea g= 3 mm, sudată la bază pe contur pe o placă metalică având laturile de 60x100 mm și grosimea g= 5 mm (fig. 5.117).

Fig. 5.117. Dimensiunile geometrice ale

eșantionului de probă. Fig. 5.118. Detaliul cordonului de sudură fisurat.

Au fost create patru tipuri de eșantioane, un eșantion realizat fără defect, un eșantion având o microfisură indusă în cordonul de sudură cuprinsă între 100 și 500 µm, eșantion cu un cordon de sudură cu porozitate mare și un eșantion cu microfisură acoperită cu un strat de vopsea. În figura 5.118 este prezentată fisura creată în cordonul de sudură. Eșantioanele au fost sudate de către un personal calificat în condiții controlate. Rezultate privind detectarea microfisurilor din cordonul de sudură

Fig. 5.120. Eșantionul de probă cu cordon de sudură fisurat.

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

86

În acest caz a fost realizat un eșantion de probă ale căror dimensiuni și proprietăți au fost prezentate mai sus cu un defect indus constând într-o microfisură în cordonul de sudură de la baza plăcii de oțel. Fisura a fost realizată după realizarea cordonului de sudură prin forțarea cordonului până la cedarea parțială de suprafață a acestuia rezultând o microfisură de suprafață.

După realizarea defectului eșantionul cu defect a fost amplasat pe bobină (fig.5.120), aplicând o excitare termică asupra eșantionului de 20 de secunde.

Pe perioada de încălzire și de răcire eșantionului acesta a fost analizat din punct de vedere al câmpului de temperatură emis cu camera termografică. Timpul total de analiză al eșantionului este de 120 de secunde din care 20 de secunde reprezintă excitarea termică, 10 secunde temperatura inițială a eșantionului, iar restul perioadei este perioada de răcire. În imaginea din figura 5.121 este prezentată harta termică a eșantionului înregistrata în perioada de răcire, după 30 de secunde de la oprirea sursei.

Fig. 5.121. Imaginea termografică a eșantionului cu microfisură în cordonul de sudură după 30 de

secunde de la oprirea sursei.

Pentru o informație clară și influența defectului din cordonul de sudură a fost necesară realizarea unui grafic al evoluției temperaturii dat de două puncte, un punct în zona fisurată, altul în zona fără fisură, raportata la timpul de analiză, grafic ce este ilustrat în figura 5.122.

Fig. 5.122. Graficul evoluției temperaturii în timp.

Fisură Fără fisură

Cordon sudură

Fisură

Capitolu l 5. Contribuţii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu

87

În imaginea 5.122 se poate observa o influență considerabilă a microfisurii din cordonul de sudură pe perioada de analiză a eșantionului. Totodată se poate observa că defectul devine vizibil imediat după oprirea sursei de excitare în zona de răcire a graficului de evoluție a temperaturii. Acest lucru este dat de o creștere bruscă a temperaturii până în jurul valorii de 88 oC, urmată de o revenire a temperaturii în care zona fisurată influențează gradientul termic înregistrat de camera termografică.

În perioada de analiză a eșantionului cu cordon de sudură fisurat a fost înregistrata o diferența de temperatură dată de contrastul termic temporal ilustrat în figura 5.123 și dat de relația 5.8:

(t) (t) (t)d sT T T∆ = − , (5.9)

unde: (t)T∆ reprezintă contrastul termic temporal; (t)dT este temperatura dată punctul termic al microfisurii în funcție de timpul de analiză; și (t)sT este temperatura data de punctul termic al zonei fără defect în funcție de timpul de analiză.

Fig. 5.123. Contrastul termic temporal dintre zona fără fisură și zona fisurată.

Analizând figura de mai sus se poate observa o diferență maximă de temperatură de 11,70 oC după aproximativ 20 de secunde de la încetarea excitării termice a eșantionului și totodată se poate observa că defectul este vizibil pe toată perioada de analiză păstrând o diferență însemnată între fisură și restul cordonului.

Răzvan Gabriel DRĂGAN. Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu 88

CAPITOLUL 6

CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE. DISEMINAREA REZULTATELOR. DIRECŢII VIITOARE DE

CERCETARE Teza de doctorat intitulată Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie

în infraroşu şi-a propus realizarea de cercetări teoretice şi practice în domeniul defectoscopiei nedistructive aplicate pe sisteme convenţionale de construcţii precum şi pe biosisteme utilizate la realizarea de implanturi de protecţie sau resorbabile.

În general, îmbunătăţirea pe termen lung a performaţelor metodelor de analiză nedistructivă a materialelor, presupune conceperea a noi soluţii constructive care să asigure o mai bună rezoluţie a analizei experimentale şi o mai bună implementare a rezultatelor obţinute în conceperea de noi materiale şi sisteme cu caracteristici superioare fără a fi necesară utilizarea unor sisteme complicate şi oneroase.

Prezentul capitol evidenţiază concluziile fiecărui capitol, contribuţiile autorului, valorificarea rezultatelor cercetărilor şi direcţiile viitoare de cercetare în acest domeniu.

6.1. CONCLUZII FINALE Teza de doctorat şi-a propus extinderea cunoaşterii ştiinţifice în domeniul metodelor de

analiză nedistructivă a sistemelor prin propunerea unui concept de analiză integrată care să includă aspecte particulare tehnologiilor de fabricare a materialelor biocompatibile sau a celor utilizate în domeniul construcţiilor civile, indiferent de arhitectura acestora.

Obiectivele ştiinţifice ale tezei stabilite într-o etapă iniţială, au fost integral îndeplinite şi au fost materializate sub forma unor produse inovative, cu caracter de originalitate.

În Capitolul 2, Stadiul actual al cercetării privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu, s-a realizat o cercetare a evaluării nedistructive a sistemelor din punct de vedere al clasificării acestora, al performanţei, al fenomenelor fizice ce stau la bază, al modului de utilizare şi aparatura necesară.

Evaluarea nedistructivă a sistemelor prin ultrasunete a fost prima metodă abordată în care au fost expuse date despre ce presupune evaluarea prin ultrasunete, frecvenţe utilizate pentru aplicarea acesteia, aparatura necesară şi tehnici de evaluare prin ultrasunete (metoda transmisiei şi metoda pulse-echo). Principiul fundamental pe care se bazează această metodă îl reprezintă propagarea undelor prin solide şi captarea deviaţiilor acestora determinate de prezenţa unor defecte în structura sistemelor analizate. Evaluarea prin ultrasunete este una dintre cele mai răspândite metode folosite în evaluarea nedistructivă a materialelor. A două metodă prezentată a fost metoda Impacht - Echo, metodă aplicabilă doar în construcţii, în inspecţia betonului şi a zidăriei. Principiul de bază al acestei metode este acela de utilizare a unei sfere metalice care prin

Capitolu l 6. Concluzii finale. Contributii originale. Diseminarea rezultatelor. Directii viitoare de cercetare

89

impactul acesteia cu materialul studiat creează o undă de şoc ce ulterior este transformată într-un semnal electric cu ajutorul unui traductor. O altă metodă studiată în acest capitol a fost metoda de evaluare nedistructivă prin radiografiere. Au fost prezentate principiile acestei metode, modul de utilizare al acesteia şi totodată riscul la care se poate supune operatorul în cazul în care nu este folosită corespunzător, fiind necesare o serie de precauţii în acest sens. Evaluarea nedistructivă prin curenţi turbionari (Curenţi Foucalt) presupune utilizarea unui câmp magnetic alternativ şi poate fi utilizată la orice material ce poate avea rol de conductor electric.

Acest studiu a fost realizat pentru a evalua posibilitatea aplicării acestor metode pe două tipuri de materiale, betonul şi materialele bioceramice. În urma acestuia s-a constatat că aplicarea unei singure metode ce să cuprindă ambele materiale este imposibilă sau nu este o metodă sigură pentru integritatea structurii materialelor. De aceea s-a optat în final la utilizarea unei alte metode de evaluarea nedistructivă şi anume, termografia în infraroşu. Termografia în infraroşu este o metodă nedistructivă ce permite testarea şi inspectarea în scopul examinării unui material sau sistem fără a afecta funcţionarea sau utilitatea acestuia în continuare. Comparativ cu celelalte metode clasice de control nedistructiv, amintite la punctele anterioare, achiziţia de date prin termografie în infraroşu este sigura, neinvazivă şi non-contact, permiţând analiza unor suprafeţe mari şi detectarea defectelor interne aflate la o adâncime de ordinul milimetrilor. În continuare au fost precizate aspecte teoretice, fenomene ce stau la baza acestei metode, instalaţii experimentale utilizate, clasificarea în funcţie de modul de excitare termică a materialelor, aparatura folosită, etc.

Pentru materialele bioceramice s-a căutat utilizarea unei surse ce sa permită pătrunderea în masa materialului până la întâlnirea undei de căldură cu defectul. În acest caz sursa de excitare aleasă a fost laserul cu CO2, lămpile fotografice cu halogen și surse electrice. Astfel s-a apelat la termografia în infraroşu activă, partea activă de excitare termică a eșantioanelor făcându-se cu ajutorul surselor amintite anterior.

Capitolul 4 intitulat Studii teoretice privind testarea prin termografie în infraroşu a sistemelor a tratat noțiuni legate de transferul termic, proprietăți ale materialului din acest punct de vedere cât și relații ce stau la baza fenomenelor de transfer al căldurii (convecție, conducție și radiație termică). Totodată a fost simulat transferul termic prin eșantioane din beton și materiale bioceramice. Scopul acestor determinări a fost cel de validare a metodei de analiză prin termografie în infraroșu activă.

Prima parte a constat în modelarea și simularea comportamentului transferului termic a două tipuri de beton și anume, betonul simplu și betonul armat. Aceasta s-a dovedit a fi o metodă eficientă cu privire la studiul proprietăților de transfer termic al betonului simplu și posibilitatea utilizării unor surse de căldură în scopul detectării rețelei de armatură din interiorul betonului armat. În a doua parte a fost prezentat un studiu al comportamentului termic al materialelor bioceramice avându-se drept scop detectarea defectelor interne prin stimularea termică a materialului, dovedindu-se eficiența metodei.

Modelele au fost realizate prin intermediul softului dedicat SolidWorks în care au fost create probele din beton simplu și beton armat și probele de material bioceramic. Aceasta metodă de realizare a modelelor a condus la realizarea unor plăci din beton armat simple, a unor plăci din beton armat cu armaturi de diferite diametre și a probelor bioceramice cu diferite tipuri de

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

90

defecte interne. După crearea modelelor geometrice folosind SolidWorks a fost necesară introducerea modelelor într-un program destinat analizei prin element finit și anume Comsol Multiphysics. Analiza comportamentului termic al materialelor a condus la obținerea unor rezultate concludente, permițând o modelare a fluxului termic cu parametrii impuși și modelarea transferului de termic în funcție de timp. Prin această metodă au fost realizate cu succes următoarele determinări: - Analiza modificărilor gradienților de temperatură în urma cărora a fost posibilă vizualizarea rețelei de armatură din interiorul plăcilor din beton armat și a defectelor interne din eantioanele bioceramice; - Profile 3D ale câmpurilor termice rezultate în urma excitării termice; - Profile termice pe secțiuni impus; - Evidențierea rețelei de armături din punct de vedere al influenței termice a coeficientului de conductivitate al oțelului și al diametrului și poziției acestora în beton; - Generarea unor grafice de temperatură în funcție de timpul de excitare termică;

Capitolul 5 intitulat Contribuții experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroșu s-a concentrat asupra determinărilor experimentale privind analiza cu termografie în infraroșu activă a sistemelor din diferite domenii, domeniul construcțiilor și domeniul biomedical. Încercările experimentale au fost realizate în laboratoare dotate cu echipament performat de analiză și de manufacturare a eșantioanelor.

În analiza experimentală a sistemelor bioceramice prin termografie în infraroșu activă au fost abordate cu succes metode diferite de analiză prin termografie în infraroșu. Aceste metode au fost aplicate pe materiale bioceramice în scopul detectării diferitelor tipuri de defecte interne și de suprafață și totodată comportamentul termic al acestor materiale.

Utilizarea termografiei în infraroșu activă folosind laserul cu CO2 în detectarea defectelor interne al materialelor bioceramice a constituit un interes major al acestei lucrări. Pentru încercările experimentale au fost create eșantioane realizate în condiții de laborator sub observație specializată. Metoda folosită în acest experiment a fost metoda reflexiei. În urma analizei materialelor bioceramice prin termografie în infraroșu activă utilizând laserul cu CO2 putem trage o serie de concluzii: - Timpul de excitare termică și de analiză redus, de ordinul secundelor până la detectarea defectului intern; - Utilizarea unor programe de înaltă performanță cu timpi reduși de compilare pentru interpretarea rezultatelor; - Metoda s-a dovedind eficientă putând vizualiza defectul prin modificări ale gradientului de temperatură de la suprafața eșantioanelor și poziția spațială a acestuia; - Au fost realizate reprezentări grafice ce subliniază clar diferențele de temperatură și distribuția acesteia în timp; - Metoda s-a dovedit eficientă pe eșantioane cu suprafețe și defecte interne mici de ordinul milimetrilor; - Rezultatele obținute demonstrează viitoare dezvoltări ale metodei și pe alte structuri bioceramice sau structuri compozite.

Capitolu l 6. Concluzii finale. Contributii originale. Diseminarea rezultatelor. Directii viitoare de cercetare

91

Detectarea defectelor de suprafață și a influenței acestora în procesul de transfer termic la structurile bioceramice prin termografie în infraroșu activă utilizând laserul cu CO2 ca sursă de escitare termică

Pe baza determinărilor de la punctul anterior și al instalației experimentale disponibile, au fost realizate determinări experimentale ce au condus la rezultate concludente privind detectarea și studiul influenței porozităților de suprafață, din structurile bioceramice. Metoda folosită în acest experiment a fost metoda reflexiei. Metoda a fost validată prin obținerea imaginilor termografice și a reprezentărilor grafice pe baza cărora a fost determinată poziția defectului și influența pe care o are acesta în procesul de transfer termic. Metoda s-a evidențiat prin următoarele: - Timpi reduși de analiză (de ordinul secundelor); - Interpretarea rezultatelor folosind programe de specialitate performate; - Posibilitatea detectării unor defecte cu dimensiuni reduse pe eșantioane cu suprafețe mici

(aprox. 0.00016 m2); - Rezultatele obținute demonstrează viitoare dezvoltări ale metodei și pe alte structuri bioceramice sau structuri compozite.

Detectarea porozităților de suprafață și a influenței acestora în procesul de transfer termic la structurile bioceramice prin termografie în infraroșu activă utilizând o sursă electrică pentru escitare termică a avut drept scop detectarea porozităților de suprafață peste limitele admise și a influenței acestora în structura materialului. Metoda de analiză în acest caz a fost metoda transmisiei ce presupune excitarea termică a unei suprafețe și analizarea cu camera termografică a suprafeței opuse. Cum această metodă în cazul laserului cu CO2 ar fi putut produce avarii ținând cont de dimensiunile reduse ale eșantionului, a fost adoptată utilizarea unei surse electrice pentru excitarea termică a eșantionului. Metoda s-a dovedit una eficientă furnizând rezultate de finețe și detectarea influenței defectului din structura materialului.

Analiza sistemelor bioceramice prin TIR activă prin impulsuri a presupus determinarea defectelor interne din structura acestora prin excitarea cu impulsuri termice produse de un generator de impulsuri și lampi fotografice cu halogen.

O altă aplicabilitate a termografiei a fost demonstrată în domeniul construcțiilor în detectarea rețelei de armătură înglobate în masa plăcilor din beton utilizând ca sursă termică un generator de micounde. Metoda a îndeplinit acest scop, fiind posibilă detectarea armăturilor din placa de beton și totodată a fost analizată și determinată influența acestora din punct de vederea al transferului termic. Pentru interpretarea rezultatelor obținute în urma analizei termografice au fost utilizate softuri de specialitate de analiză termografică, tratament de imagine, metode numerice, fiind astfel posibilă interpretarea corectă a rezultatelor obșinute. Rezultatele au fost prezentate de așa manieră încât sa fie facil de înțeles, acest lucru fiind o altă grija importantă în redactarea acestei lucrări.

Luând în considerare posibilitățile limitate ale echipamentului termografic care oferă posibilitatea de analiza a distribuției termice pe o singură suprafață, s-a dorit o analiză concomitentă a două suprafețe ale unei plăci din beton armat în vederea evaluării transferului conductiv printr-un perete din beton. Acest lucru s-a realizat cu ajutorul unui sistem de senzori de temperatură și o placă de dezvoltare cu un microcontroler programabil conectată la un sistem

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

92

de date și achiziții și în același timp placa din beton analizată din punct de vedere al distribuției de temperatură pe suprafață cu o cameră termografică. În acest fel a fost arătată capacitatea unui perete de beton de a reține și transmite căldură și modul distribuției acesteia pe suprafața elementului vizat. Mai putem spune și că prin acest experiment a fost demonstrată o limitare a analizei prin termografie în infraroșu.

O ultimă etapă a contribuțiilor experimentale privind testarea prin termografie în infraroșu a constituit-o analiza sistemelor metalice în construcții, mai exact a calității cordoanelor de sudură, utilizând excitarea termică prin inducție electromagnetică. În această fază a fost analizat un stâlp metalic experimental sudat pe o placă de bază din oțel în care au fost induse defecte controlate sub formă de fisuri, discontinuități ale cordonului de sudură și porozități. Metoda a fost aplicabilă și utilă fiind posibilă detectarea microfisurilor (0,1 – 0,5 mm) din cordoanele de sudură, discontinuități și porozități ale acestora, dovedind astfel o bună aplicare a acesteia în controlul nedistructiv al calității sudurilor efectuate în fabrică sau pe șantier.

6.2. CONTRIBUŢII ORIGINALE Prin prisma importanţei pe care o prezintă în prezent studiul materialelor utilizând metode

nedistructive, în vederea îmbunătăţirii structurilor materialelor, găsirea de noi materiale, detectarea defectelor interne, etc. Lucrarea şi-a propus un studiu amănunţit al metodelor nedistructive (NDT) utilizate, bazat pe referinţe de specialitate şi găsirea soluției optime de analiză ce să permită a fi aplicată pe materiale din diferite domenii: materiale bioceramice, materiale de construcţii (beton simplu, beton armat și confecții metalice), sisteme osoase; în final termografia în infraroşu fiind metoda aplicabilă pe toate aceste structuri.

În urma determinării metodei optime și a obiectivelor, pe parcursul cercetării şi elaborării tezei au fost conturate numeroase contribuţii personale ale autorului dintre care se pot menţiona:

• Realizarea un studiu complex cu privire la stadiul actual al cercetării în domeniul analizei sistemelor prin metode nedistructive şi prin termografie în infraroşu. Totodată, au fost studiate toate metodele de analiză nedistructivă prin termografie în infraroşu şi echipamente utilizate;

• Realizarea unui studiu teoretic sintetic al fenomenelor de transfer termic ce guvernează studiul sistemelor prin termografie în infraroşu;

• Realizarea unei modelări a sistemelor analizate utilizând softuri de specialitate, bazată pe modelele matematice ale transferului de căldură;

• Realizarea eşantioanelor de probă pentru fiecare analiză experimentală în parte, şi realizarea unor defecte controlate în interiorul acestora sau de suprafață;

• Proiectarea unei instalaţii experimentale pentru fiecare analiza de sistem în parte care să îndeplinească toate cerinţele şi parametrii optimi pentru determinarea unor rezultate corecte şi de finețe;

• Conceperea unor programe de interpretare a rezultatelor obţinute din analiza experimentală şi de tratament de imagine bazate pe metode numerice avansate.

Capitolu l 6. Concluzii finale. Contributii originale. Diseminarea rezultatelor. Directii viitoare de cercetare

93

• Studiul comparativ al diferitelor metode de termografie în infraroşu folosite şi ai diferiţilor parametrii de funcționare (timp de excitare, metoda transmisiei, metoda reflexiei, temperatura de excitare a eșantioanelor, mărimea defectelor induse, etc.)

• Conturarea şi sintetizarea, pe baza rezultatelor obţinute şi a metodelor studiate, a concluziilor finale ale lucrării.

6.3. DISEMINAREA REZULTATELOR Cercetările ştiinţifice realizate pe parcursul stagiului doctoral au condus la publicarea de

lucrări în volumele unor conferinţe naţionale şi internaţionale şi volumele unor reviste de specialitate. Lista lucrărilor publicate de autorul tezei este:

[L1]. DRAGAN Razvan Gabriel, ROSCA Ileana – Constanta, MONCHAU Francine, OLTEANU Ciprian, ZAMFIRA Constantin, BALTES Liana, Active Pulse Thermography Applied to Defect Detection în Bioceramic Materials, ACME 2014, Iasi, publicat în Applied Mechanics and Materials, vol. 659, 2014 Pp. 371-376, ISSN: 1662-7482 [link fișier] http://www.scientific.net/AMM.659.371

[L2]. DRAGAN Razvan Gabriel, ROSCA Ileana – Constanta, CAZANGIU Diana and LEONTE Alexantru Stefan, Thermal Response for a Reinforced Concrete Slab Analyzed with Active Infrared Thermography and Comsol Multiphysics, Applied Mechanics and Materials, ISSN: 1583-7904, International Conference of Advanced Manufacturing Technologies ICAMaT 2014

[L3]. LEONTE Alexandru Stefan, NEDELCU Anisor and DRAGAN Razvan Gabriel, Determination of Optimal Nondestructive Technique (NDT) Using Multi-criteria Analysis, Applied Mechanics and Materials, ISSN: 1583-7904, International Conference of Advanced Manufacturing Technologies ICAMaT 2014

[L4] DRAGAN Razvan Gabriel, ROSCA Ileana – Constanta, Sam-Ang KEO, Florin BREABAN, Active Thermography Method Using an CO2 Laser for Thermal excitation, Applied to Defect Detection în Bioceramic Materials, E-Health and Bioengineering (EHB 2013) ISBN: 978-1-4799-2372-4, [link fișier] http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6707235

[L5] DRAGAN Razvan Gabriel, ROSCA Ileana – Constanta, Franck BRACHELET, Florin BREABAN, Active thermography based on the heat transfer process în determining the influence of micro defects în bio-ceramic materials surface, E-Health and Bioengineering (EHB 2013) ISBN: 978-1-4799-2372-4, [link fișier] http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6707236

[L6] Sam-Ang KEO, Florin Breaban, R.G. DRAGAN, Didier Defer, Franck Brachelet, Analysis on Effects of Diffraction and Interference on Detection of Steel Reinforcement by Microwave Thermography, International Journal of Heat and Mass Transfer (acceptată spre publicare)

[L7] Diana Cazangiu, Razvan Dragan, Ileana Rosca, Simulation Software Development for Analysis of the Mechanical Behaviour of the Composite Materials, The 8th International

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

94

Conference INTER-ENG 2014 Interdisciplinarity în Engineering, Tîrgu - Mureş, România (acceptată spre publicare, există dovada)

[L8] DRAGAN Razvan Gabriel, Sorin – Constantin ZAMFIRA, ROSCA Ileana – Constanta, Ciprian OLTEANU, Studiul transferului termic şi al distribuţiei de temperatură pe suprafaţa betonului armat folosind termografia în infraroşu activă şi un sistem de senzori de temperatură, în volumul conferinței Sesiunea Ştiinţifică de Toamnă a Academiei Oamenilor de Ştiinţă din România cu tema: Eco-Economia şi Dezvoltarea Durabilă, Braşov, 2013

[L9] Diana CAZANGIU, Gabriel DIMA, Razvan DRAGAN, Ileana ROSCA, Structural Analysis of the Main Rotor Blade for a Light Helicopter – Case of Hovering Flight Mode, Anals of the Oradea University, volume XIII, 2014

[L10] Razvan Gabriel DRAGAN, Optimizarea sistemelor de ventilație cu ajutorul camerelor de termoviziune, în volumul conferinței: A XV – a Sesiune de Comunicări Știintifice a Școlii Doctorale Creativitate și Inventică, Brașov, 2012

Cele 10 lucrări științifice publicate de autorul tezei pot fi sintetizate astfel: q 1 lucrare în ISI Journal, q 3 lucrări în ISI proceedings, q 4 lucrări în conferinţe internaţionale cu comitet de program, q 2 lucrare publicată într-o revistă națională,

la 6 dintre ele, fiind prim autor.

6.4. DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE Având în vedere rezultatele obținute pe parcursul cercetării doctorale și multiplele

dezvoltării din cercetarea teoretică precum și cele ale echipamentelor experimentale folosite pentru îndeplinirea obiectivelor tezei, domeniul de analiză a sistemelor prin termografie în infraroșu deschide perspective generoase de aprofundare în acest domeniu de cercetare și de abordare a unor direcții conexe ca:

- Realizarea unor modele matematice în vederea evaluarii comportamentului termic al materialelor bioceramice și ale celor de construcții în medii diferite de funcționare;

- Verificarea experimentală utilizând TIR a modelelor concepute; - Prelungirea aplicațiilor metodelor de testare pe alte sisteme; - Adaptarea metodelor de inspecție prin termografie în infraroșu studiate la bilanțul

energetic al clădirilor și elaborarea unei metode rapide și eficiente de diagnostic; - Modelarea prin element finit a excitării termice prin microunde privind detectarea

defectelor interne sau de suprafață, cât și a armăturilor din elementele de construcții din beton;

- Dezvoltarea și îmbunătățirea proprietăților materialelor pe baza analizei acestora prin termografie în infraroșu activă și pasivă.

Răzvan Gabriel DRĂGAN. Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu 95

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ [Amm1999] F. Ammirato, P. Zayicek, Infrared Thermography Field Application Guide,

California, USA, 1999. [Badea2005] Badea A., Bazele transferului de căldură și masă, Editura Academiei, București,

2005. [Bal2002] C.A. Balaras, A.A. Argiriou, Infrared thermography for building diagnostics, Energy

and Buildings, vol. 34, pp. 171-183, 2002. [Benit2009] Hernán D. Benítez, Humberto Loaiza,Eduardo Caicedo,Clemente

IbarraCastanedo,AbdelHakim Bendada,Xavier Maldague, Defect characterization in infrared non-destructive testing with learning machines, NDT & E International, vol. 42, pp. 630-643, 2009.

[Burg2000] K.J.L. Burg, S. Porters, J.F. Kellam, Biomaterial developments for bone tissue engineering, Biomaterials, 2000, 21, 2347–3259.

[Gaut1998] O. Gauthier, J.M. Bouler, E. Aguado, P. Pilet, G. Daculsi, Macroporous biphasic calcium phosphate ceramics: influence of macropore diameter and macroporosity percentage on bone ingrowth, Biomaterials, 1998, 19, 1–3, 133–139.

[Burr2011] S. E. Burrows, S. Dixon, S.G. Pickering, T. Li, D.P. Almond, Thermographic detection of surface breaking defects using a scanning laser source, NDT & E International, vol. 44, pp. 589-596, 2011.

[Car2001] N.J. Carino, The Impact-echo Method: an Overview, Building and Fire Research Laboratory,National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, USA, 2001

[Chown1983] Chown G, Burn K. Thermographic identification of building enclosure defects and defiencies, Canadian Building Digest, 1983.

[Clem] Clemente Ibarra-Castanedo, Marc Genest, Jean-Marc Piau,Stéphane Guibert, Abdelhakim Bendada and Xavier P. V. Maldague, Active Infrared Thermography Techniques for the Nondestructive Testing of Materials, Computer Vision and Systems Laboratory, Laval University, Quebec City (Quebec), Canada.

[Clem2005] Clemente Ibarra Castanedo, Quantitative subsurface defect evaluation by pulsed phase thermography: depth retrieval with the phase, Faculté des sciences et de génie, Université Laval, 2005.

[Comsol2011] Introduction to Comsol Multiphysics, COMSOL 4.2a, Octomber 2011 [Dragan2013a] DRAGAN Razvan Gabriel, ROSCA Ileana – Constanta, Franck BRACHELET,

Florin BREABAN, Active thermography based on the heat transfer process in determining the influence of micro defects in bio-ceramic materials surface, E-Health and Bioengineering (EHB 2013) Conference, Iasi, 2013.

[Dragan2013b] DRAGAN Razvan Gabriel, Sorin – Constantin ZAMFIRA, ROSCA Ileana – Constanta, Ciprian OLTEANU, Studiul transferului termic şi al distribuţiei de temperatură pe suprafaţa betonului armat folosind termografia în infraroşu activă şi un sistem de senzori de temperatură, Sesiunea Ştiinţifică de Toamnă a Academiei Oamenilor

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

96

de Ştiinţă din România cu tema: Eco-Economia şi Dezvoltarea Durabilă, Braşov, 2013. [Dragan2013c] DRAGAN Razvan Gabriel, ROSCA Ileana – Constanta, Franck BRACHELET,

Florin BREABAN, Active thermography based on the heat transfer process in determining the influence of micro defects în bio-ceramic materials surface, E-Health and Bioengineering (EHB 2013) Conference, Iasi, 2013.

[Dragan2014a] DRAGAN Razvan Gabriel, ROSCA Ileana – Constanta, CAZANGIU Diana, LEONTE Alexantru Stefan, Thermal Response for a Reinforced Concrete Slab Analyzed with Active Infrared Thermography and Comsol Multiphysics, 7th International Conference on Advanced Manufacturing Technologies; ICAMaT 2014 Bucureşti, 2014.

[Dragan2014b] DRAGAN Razvan Gabriel, ROSCA Ileana – Constanta, MONCHAU Francine, OLTEANU Ciprian, ZAMFIRA Constantin, BALTES Liana, Active Pulse Thermography Applied to Defect Detection în Bioceramic Materials, The 6th international conference on advanced concepts în mechanical engineering; ACME 2014 Iaşi, 2014.

[Flir] The Ultimate Infrared Handbook for R&D Professionals, A Resource Guide for Using Infrared in the Research and Development Industry, FLIR Systems.

[Guib2007] Stéphane Guibert, La thermographie infrarouge a détection synchrone appliquée aux matériaux composites, Maître ès sciences (M.Sc.) Mémoire, Génie électrique, Université Laval, Canada, 2007.

[Iba2004] C. Ibarra-Castanedo, X.Maldague, Defect Depth Retrieval from Pulsed Phase Thermographic Data on Plexiglas and Aluminum Samples, in SPIE Procedures Thermosense XXVI, 2004.

[Incrop] Incropera F.P., De Witt D.P., Fundaments of Heat and Mass Transfer, 3rd edition, John Wiley & Sons, USA.

[Jann2008] Yves Jannot, Transferts thermiques, Ecole des Mines Nancy, 2008. [Lel1992] René Leleu, Transferts de chaleur, Techniques Ingénieur, 1992. [Leo2014] LEONTE Alexandru Stefan, NEDELCU Anisor, DRAGAN Razvan Gabriel,

Determination of Optimal Nondestructive Technique (NDT) Using Multi-criteria, Analysis7th International Conference on Advanced Manufacturing Technologies; ICAMaT 2014, Bucureşti, 2014.

[Liu2012] Liu Junyan, Tang Qingju, Liu Xun, Wang Yang, Research on the quantitative analysis of subsurface defects for non-destructive testing by lock- in thermography, NDT & E International, vol. 45, pp. 104-110, 2012.

[Maier2005] Ch. Maierhofer, A. Brink, M. Rollig, H. Wiggenhauser, Quantitative impulse-thermography as non-destructive testing method în civil engineering – Experimental results and numerical simulations, Construction and Building Materials, vol.19, pp. 731-737, 2005.

[Mald2001] X. Maldague, Applications of infraresd thermography in nondestructive evaluation, Laval University, Quebec, Canada, 2001.

[Man2008] Manyong Choi, Kisoo Kang, Jeonghak Park, Wontae Kim, Koungsuk Kim, Quantitative determination of a subsurface defect of reference specimen by lock- in infrared thermography, NDT & E International, vol. 41, pp. 119-124, 2008.

Capitolu l 6. Concluzii finale. Contributii originale. Diseminarea rezultatelor. Directii viitoare de cercetare

97

[Monch2001] F. Monchau, Elaboration et caractérisations physico-chimiques et biologiques de biocéramiques utilisées comme substituts osseux. Thèse de doctorat d'université, Université de Lille 2, 2001.

[Nguy2013] Nguyen Trong–Khoa. Modélisation de l’écoulement dans une biocéramique à pores sphériques interconnectés. Application aux bioréacteurs, Thèse de doctorat d'université, Université d’Artois, 2013

[Paul2005] Paul E. Mix, Introduction to Nondestructive Testing - Second Edition, 2005. [SamAng2013a] Sam Ang KEO, Développement d’une méthode de thermographie infrarouge

active par excitation micro-ondes appliquée au contrôle non destructif, L’université D’Artois Faculté des Sciences Appliquées de Béthune, Thèse soutenue le 9 décembre 2013.

[SamAng2013b] Sam-Ang Keo, Franck Brachelet, Florin Breaban, and Didier Defer, Development of an Infrared Thermography Method with CO2 Laser Excitation, Applied to Defect Detection în CFRP, World Academy of Science, Engineering and Technology, vol. 80, 2013.

[Shull2001] Peter J. Shull, Nondestructive Evaluation Theory, Techniques, and Applications, the Pennsylvania State University Altoona, Pennsylvania, 2001.

[Tao2010] Tao Du, Thermographie infrarouge active par induction électromagnétique application à l’auscultation d’éléments en béton renforcé, L’université D’Artois Faculté des Sciences Appliquées de Béthune, Thèse soutenue le 29 Juin 2010.

[Val2000] Steve Vallerand, Détection et Caractérisation de défauts par thermographie de phase pulsée, Maître ès sciences (M. Sc.) Mémoire Département de génie électrique et de génie informatique, Université Laval, Canada, 2000.

[Xav2001] XAVIER P.V. MALDAGUE, Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing. Canada, 2001.

[Xiao2014] Xiao Chen, Dibo Hou, Ling Zhao, Pingjie Huang, Guangxin Zhang, Study on defect classification în multi- layer structures based on Fisher linear discriminate analysis by using pulsed eddy current technique, NDT & E International, vol. 67, pp. 46-54, 2014.

[Yosh1997] E. Yoshii, Cytotoxic effects of acrylates and methacrylates: Relationships of monomer structures and cytotoxicity, J. Biomed. Mat. Res., 37, 1997, 517-524

Răzvan Gabriel DRĂGAN Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

98

Studii şi cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroşu Rezumat

Lucrarea de doctorat intitulată “Studii și cercetări privind analiza sistemelor prin termografie în infraroșu” propune realizarea unor cercetări teoretice și experimentale într-un domeniu foarte complex, cel al metodelor de analiză nedistructivă, în special termografia în infraroșu, prin utilizarea unor surse de excitare termică de tip: laser cu CO2, lămpi fotografice cu halogen, surse electrice, microunde și inducție electromagnetică. Analiza prin termografie în infraroșu a fost aplicată pe diferite sisteme utilizate în domeniul construcțiilor și în domeniul ingineriei biomedicale cu scopul detectării defectelor interne și de suprafață, microfisuri, detectarea materialelor metalice înglobate și totodată analiza influenței termice a acestora în procesul de transfer termic.Teza este structurată pe șase capitole din care trei sunt concentrate pe introducere, obiectivele tezei de doctorat,concluzii, contribuții originale și valorificarea rezultatelor (publicarea de lucrări științifice și contracte de cercetare)/viitoare direcții de cercetare. Următoarele trei capitole dezvoltă subiectul tezei, începând cu o analiză riguroasa bazată pe literatura de specialitate, urmată de studii teoretice și studii experimentale privind analiza sistemelor prin termografie în infraroșu. Lucrarea de doctorat conține 181 de figuri și 12 tabele prin care sunt ilustrate și evidențiate rezultate și informații cu grad științific ridicat. Pe perioada programului de cercetare, au fost realizate și publicate 10 lucrări în cadrul unor conferințe internaționale din care la șase dintre ele ca prim autor.

Research concerning the systems analyze by infrared thermography Abstract

The thesis “Research concerning the systems analyze by infrared thermography” proposes theoretical and experimental researches în the very complex domain of non destructive inspection methods, especially the infrared thermography – CO2 laser excitation, halogen lamps, electric heat sources, microwaves and electromagnetic induction. The thermographic analyze was applied on materials used în constructions and biomedical engineering, the goal being the internal and external defect detection, micro cracks, the detection of the embed metallic materials and also the analysis of their thermal influence in the heat transfer process. The thesis is structured in six chapters and, among them: three are concerned on introduction, thesis objectives, conclusions, original contribution and thesis valorization (published papers and research grants)/future research directions. The next three develop, consistently, the thesis subject, beginning with critical analyze of the specialized literature that is followed by theoretical study, and the experimental study of systems by infrared thermography. The PhD thesis contains 181 figures and 12 tables în which are illustrated and highlighted results and information with a high scientific degree. During the research program, the author elaborated and published 10 papers in the proceedings of different scientific events in Romania and abroad, in six of them being the first author.

Capitolu l 6. Concluzii finale. Contributii originale. Diseminarea rezultatelor. Directii viitoare de cercetare

99

CURRICULUM VITAE Informaţii personale

Nume / Prenume Drăgan Răzvan Gabriel Adresă TelefonE-mail

NaţionalitateData naşterii

Sex

Str. Szemler Ferenc nr. 5, bl. 5, ap. 10, Braşov Fix: 0368/439335, Mobil: 0746225213 [email protected] Română 13.11.1986 Masculin

Experienţa profesională Funcţia sau postul ocupat Inginer Pregătirea şi Urmărirea Producţiei

Perioada 01.10.2011 – 01.04.2014 Numele şi adresa angajatorului Sectorul de activitate

S.C. RECON S.A., Str. Alexandru Ioan Cuza nr. 31, Brașov Construcţii drumuri şi poduri

Funcţia sau postul ocupat Şef Stație de Betoane şi Hală de Prefabricate Perioada 01.10.2009 – 01.10.2011

Numele şi adresa angajatorului Sectorul de activitate

S.C. RECON S.A., Str. Alexandru Ioan Cuza nr. 31, Brașov Construcţii drumuri şi poduri

Funcţia sau postul ocupat Programator producţie Perioada 1.04.2008 - 16.03.2009

Numele şi adresa angajatorului Sectorul de activitate

S.C. TUNELE S.A., str. Hărmanului 17 E, Braşov Construcţii drumuri, poduri, căi ferate şi tunele

Funcţia sau postul ocupat Programator producţie Perioada 16.03.2007 - 30.03.2008

Numele şi adresa angajatorului Sectorul de activitate

S.C. ICCO CONSTRUCT S.R.L., str. Şcolii, Braşov Construcţii civile şi industriale

Funcţia sau postul ocupat Tehnician prelucrări mecanice Perioada 01.09.2006 – 14.02.2007

Numele şi adresa angajatorului Sectorul de activitate

S.C. HIDRAULICA S.A., municipiul Săcele Echipamente hidraulice

Educaţie şi formare Numele şi tipul instituţiei UNIVERSITATEA TRANSILVANIA Braşov, Facultatea de Construcţii,

Calificarea/ Diploma obţinută Inginer: Construcții civile, industriale şi agricole Perioada 2005 - 2009

Calificarea/ Diploma obţinută Master: Reabilitarea energetică în mediul construit Perioada 2009 - 2011

Calificarea Doctorand: Studii și cercetari privind analiza sistemelor prin termografie în infraroșu Stagii externe Stagiu în Franța (6 luni) la Universitatea Artois în anul 2013

Perioada 2011 - prezent Calificarea/ Diploma obţinută Managementul proiectelor–Advanced Project Management în Primavera

Perioada 2010 Limbi străine cunoscute Engleză, franceză: avansat

Competenţe şi aptitudini de utilizare a calculatorului

Autocad, Autodesk Inventor, AllPlan, AxisVm, Comsol Multiphysics, Etabs, Microsoft Office, Microsoft Project, Primavera Enterprise, Solid Works

Permis de conducere Categoria „B”

100

CURRICULUM VITAE Informaţii personale First name(s) / Surname(s) Drăgan Răzvan Gabriel

Address(es) Telephone(s)

E-mail Nationality

Date of birth Sex

No. 5 Szemler Ferenc street, app. 10, Braşov, Braşov county, România Fix: +40. 0368.439.335, Mobil: +40. 0746.225.213 [email protected] Romanian 13.11.1986 Male

Work experience Ocupation or position held Engineer in Training and Monitoring Production

Dates From October 2011 – April.2014 Name and ddress of employer S.C. RECON S.A., Str. Alexandru Ioan Cuza nr. 31, Brașov

Ocupation or position held Station Director for prefabricated of concrete structures hall Dates 01.10.2009 – 01.10.2011

Name and ddress of employer S.C. RECON S.A., Str. Alexandru Ioan Cuza nr. 31, Brașov Ocupation or position held Production Programmer

Dates 1.04.2008 - 16.03.2009 Name and ddress of employer S.C. TUNELE S.A., str. Hărmanului 17 E, Braşov

Ocupation or position held Production Programmer Dates 16.03.2007 - 30.03.2008

Name and ddress of employer S.C. ICCO CONSTRUCT S.R.L., str. Şcolii, Braşov Ocupation or position held Mechanical processing technician

Dates 01.09.2006 – 14.02.2007 Name and ddress of employer S.C. HIDRAULICA S.A., Săcele, Brașov

Education and training Name and type of organisation

providing education and training “Transilvania” University of Brasov, Faculty of Civil Engineering, 29 Eroilor 500036 Brasov, Romania – Website: http://www.unitbv.ro

Title of qualification awarded Bachelor Degree – Engineer Specialty: Civil, Industrial and Agricultural Construction

Dates 2005 - 2009 Title of qualification awarded Master Degree

Specialty: Energy Rehabilitation in Built Environment Dates 2009 - 2011

Qualification PhD student Thesis: Studies and researches concerning systems analysis by infrared thermography Published articles:

External Internship Research Internship in France (6 mounts) at Artois University in 2013 Dates 2011 - present

Title of qualification awarded The graduation of the “Primavera Enterprise Project Portfolio Management” course, Primavera Enterprise International User Certificate

Dates 2010 Other language(s) English, French: Proficient user

Computer skills and competences

Autocad, Autodesk Inventor, AllPlan, AxisVm, Comsol Multiphysics, Etabs, Microsoft Office, Microsoft Project, Primavera Enterprise, Solid Works

Driving licence B category